RESSALVA Atendendo solicitação da autora, o texto completo desta Dissertação será disponibilizado somente a partir de 31/08/2023. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" FACULDADE DE CIÊNCIAS FARMACÊUTICAS CÂMPUS DE ARARAQUARA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE BIOMATERIAIS E BIOPROCESSOS MESTRADO PROFISSIONAL CELULOSE BACTERIANA E PECTINA: UMA BLENDA POLIMÉRICA PARA A CONSERVAÇÃO DE MORANGOS JOSANA CARLA DA SILVA SASAKI ORIENTADOR: Prof. Dr. Álvaro Baptista Neto COORIENTADOR: Prof. Dr. Rondinelli Donizetti Herculano ARARAQUARA – SP 2021 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" FACULDADE DE CIÊNCIAS FARMACÊUTICAS CÂMPUS DE ARARAQUARA CELULOSE BACTERIANA E PECTINA: UMA BLENDA POLIMÉRICA PARA A CONSERVAÇÃO DE MORANGOS JOSANA CARLA DA SILVA SASAKI Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biomateriais e Bioprocessos (Mestrado Profissional), Área de Biomateriais, Bioprocessos, Bioprodutos da Faculdade de Ciências Farmacêuticas, UNESP, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia de Biomateriais e Bioprocessos. ORIENTADOR: Prof. Dr. Álvaro Baptista Neto COORIENTADOR: Prof. Dr. Rondinelli Donizetti Herculano ARARAQUARA – SP 2021 Sasaki, Josana Carla da Silva. S586c Celulose bacteriana e pectina: uma blenda polimérica para a conservação de morangos / Josana Carla da Silva Sasaki. – Araraquara: [S.n.], 2021. 100 f. : il. Dissertação (Mestrado Profissional) – Universidade Estadual Paulista. “Júlio de Mesquita Filho”. Faculdade de Ciências Farmacêuticas. Programa de Pós Graduação em Engenharia de Biomateriais e Bioprocessos. Orientadora: Álvaro de Baptista Neto. Coorientador: Rondinelli Donizetti Herculano. 1. Bioplástico. 2. Pectina. 3. Celulose bacteriana. 4. Komagataeibacter hansenii. 5. Morango. 6. Revestimento. I. Baptista Neto, Álvaro de, orient. II. Herculano, Rondinelli Donizetti, coorient. III. Título. Diretoria do Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação - Faculdade de Ciências Farmacêuticas UNESP - Campus de Araraquara CAPES: 33004030170P0 Esta ficha não pode ser modificada UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Araraquara CELULOSE BACTERIANA E PECTINA: UMA BLENDA POLIMÉRICA PARA  A CONSERVAÇÃO DE MORANGOS.   TÍTULO DA DISSERTAÇÃO: CERTIFICADO DE APROVAÇÃO AUTORA: JOSANA CARLA DA SILVA SASAKI ORIENTADOR: ALVARO DE BAPTISTA NETO COORIENTADOR: RONDINELLI DONIZETTI HERCULANO Aprovada como parte das exigências para obtenção do Título de Mestra em ENGENHARIA DE BIOMATERIAIS E BIOPROCESSOS, área: Biomateriais, Bioprocessos, Bioprodutos pela Comissão Examinadora: Prof. Dr. ALVARO DE BAPTISTA NETO (Participaçao Virtual) Departamento de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia / Faculdade de Ciências Farmacêuticas - UNESP - Araraquara Profa. Dra. WILMA APARECIDA SPINOSA (Participaçao Virtual) Departamento de Ciência e Tecnologia de Alimentos / Universidade Estadual de Londrina Prof. Dr. ANTONIO CARLOS GUASTALDI (Participaçao Virtual) Departamento de Química Analítica, Físico-Química e Inorgânica / Instituto de Química - UNESP - Araraquara Araraquara, 31 de agosto de 2021 Faculdade de Ciências Farmacêuticas - Câmpus de Araraquara - Rodovia Km 1 , 14804083, Araraquara - São Paulo http://www2.fcfar.unesp.br/#!/pos-graduacao/engenharia-de-biomateriais-e-bioprocessos-mestrado-profiCNPJ: 48.031.918/0025-00. Dedico este trabalho a Deus, que me deu a vida e formou o planeta Terra, pois nele, além de mim, vivem todos os que eu amo, deste planeta tiro o meu sustento, sendo, hoje, o meu dever lutar por sua sustentabilidade. Dedico, em especial, aos meus eternos e amados avós, Eurípedes & Maria; Maria & Laurentino. AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por tudo! Sem a sua graça nem vida eu teria. Agradeço aos meus familiares, que sempre me incentivaram de alguma forma para que eu concretizasse os meus objetivos. Em especial, agradeço a meu esposo, Alexandre T. Sasaki, por ser paciente, compreensivo e apoiar os meios sonhos, e aos meus filhos, Miguel e Melina, que tanto me perdoaram pelo tempo que lhes foi roubado devido à minha dedicação aos estudos. Agradeço aos amigos, colegas, conhecidos e técnicos de laboratório, que sempre estavam prontos a me ajudar. Agradeço especialmente à Mariana Pereira, cuja amizade e companhia no mestrado fez com que essa etapa passasse como um sopro. Agradeço sobretudo ao meu orientador, Prof. Dr. Álvaro de Baptista Netto, e ao coorientador, Prof. Dr. Rondinelli Donizetti Herculano, pela paciência, carinho e dedicação comigo e com o projeto. Sem eles, nada disso seria possível. RESUMO Estima-se que cerca de 1/3 da produção de alimentos é desperdiçado entre a cadeia produtiva até o consumo, o que acarreta em problemas econômicos, sociais e ambientais. Deste modo, tecnologias que venham aumentar o tempo de prateleira dos alimentos é indispensável e urgente, o que poderia reduzir o apelo constante por maior produção. Com base nessas problemáticas, o presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de celulose bacteriana em diferentes meios de cultivo para, posteriormente, desenvolver uma blenda polimérica de celulose bacteriana e pectina para a aplicação e análise preliminar em morangos, visando revestir, proteger e aumentar a vida de prateleira da fruta. Para o desenvolvimento do trabalho, foi utilizada a bactéria Komagataeibacter hansenii ATCC 23769 (antigo Acetobacter xylinus Yamada) para a produção da celulose em diferentes meios de cultivo e condições de agitação. As melhores produções de celulose foram alcançadas nos meios Hestrin e Schramm (HS) modificados com diferentes fontes de carbono, tais como: caldo de cana, como substituinte da glicose, (concentração de celulose igual a 38,8 ± 15,4 g. L‾ ¹, em base seca); HS suplementado com etanol, (concentração de celulose de 33,4 ± 4,4 g. L‾ ¹, em base seca) e a 100 rpm de rotação orbital; e suco de laranja, como substituinte da glicose, (concentração de celulose de 27,2 ± 9,4 g. L‾ ¹, em base seca) e, em meio estático. O cultivo de celulose bacteriana decorreu pelo período de 14 dias. Com os resultados obtidos, foi possível determinar a melhor estratégia para a produção de celulose bacteriana para o uso no desenvolvimento do revestimento bioplástico, que foi elaborado com base na blenda polimérica de celulose bacteriana e pectina. Outra blenda foi desenvolvida a partir da introdução do material hidrofóbico óleo de coco, visando possivelmente melhoria no revestimento com características hidrofílicas. Na avaliação sobre as características mecânicas do biomaterial, foi possível determinar que o revestimento bioplástico de celulose bacteriana e pectina apresentou maior permeabilidade ao vapor de água, maior resistência à tração e menor deformação que o revestimento bioplástico com o aditivo de óleo de coco. No entanto, ambas amostras mostraram alta solubilidade em água. Com a investigação, foi plausível determinar que o revestimento à base de celulose bacteriana e pectina e a blenda de celulose bacteriana, pectina e óleo de coco aplicado sobre o morango evitou a senescência precoce e preservou a fruta, evitando perda de massa de 39% no revestimento de celulose bacteriana e pectina e 61% no revestimento bioplástico de celulose bacteriana, pectina e óleo de coco. Palavras-Chave: Bioplástico; Pectina; Celulose bacteriana; Komagataeibacter hansenii; Morango; Revestimento. ABSTRACT It is estimated that about 1/3 of food production is wasted between a production chain and consumption, which leads to economic, social and environmental problems, thus, technologies that will increase the shelf life of food are indispensable and urgent, which would reduce the constant call for more production. Based on these issues, this study aimed to evaluate the production of bacterial cellulose in different culture media to further develop a polymer blend of bacterial cellulose and pectin for application and preliminary analysis in strawberries, aiming to coat, protect and increase life of fruit shelf. For the development of the work, the bacterium Komagataeibacter hansenii ATCC 23769 (formerly Acetobacter xylinus Yamada) was used for the production of cellulose in different culture media and agitation conditions. The best cellulose productions were achieved in Hestrin and Schramm (HS) media modified with different carbon sources: such as sugarcane juice as a glucose substitute, (cellulose concentration equal to 38.8 ± 15.4 g. L‾ ¹, on a dry basis); HS supplemented with ethanol, (cellulose concentration of 33.4 ± 4.4 g. L‾ ¹, on a dry basis), at 100 rpm of orbital rotation; and orange juice as a replacement for glucose (concentration of cellulose of 27.2 ± 9.4 g. L‾ ¹, on a dry basis), in a static medium. The bacterial cellulose culture was carried out for a period of 14 days. With the results obtained, it was possible to determine the best strategy for the production of bacterial cellulose for use in the development of the bioplastic coating, which was elaborated based on the polymeric blend of bacterial cellulose and pectin. Another blend was developed, with the introduction of the hydrophobic material coconut oil, possibly aiming to improve the coating with hydrophilic characteristics. In the evaluation of the mechanical characteristics of the biomaterial, it was possible to determine that the bioplastic coating of bacterial cellulose and pectin had greater permeability to water vapor, greater tensile strength and less deformation than the bioplastic coating with the additive of coconut oil. However, both samples showed high solubility in water. With the investigation, it was plausible to determine the coating based on bacterial cellulose and pectin and the blend of bacterial cellulose, pectin and coconut oil applied on the strawberry avoided premature senescence and preserved the fruit, preventing a 39% loss of mass in the coating. bacterial cellulose and pectin and 61% in the bioplastic coating of bacterial cellulose, pectin and coconut oil. Keywords: Bioplastic; Pectin; Bacterial cellulose; Komagataeibacter hansenii; Strawberry; Coating. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Objetivos da ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável).... 12 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Produção e tratamento de lixo plástico por país ............................ 17 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ATCC – American Tipe Colection ATM – Alto Grau de Metoxilação Sumário INTRODUÇÃO ................................................................................................. 12 CONCLUSÃO .................................................................................................. 86 REFERÊNCIAS.................................................................................................88 12 1 INTRODUÇÃO A perda e o desperdício de alimentos são um grande ônus à toda sociedade, podendo incidir por descaso, mal acondicionamento, manuseamento, transporte inadequado, alta perecibilidade entre outros fatores. No Brasil, o problema de perdas e desperdícios de frutas ocorre devido a fatores como manipulação inapropriada e má conservação do alimento – que podem acontecer em etapas distintas do processo. Estima-se que, durante a colheita, são perdidos cerca de 10% das frutas; 30% do desperdício ocorre durante o manuseio e transporte; cerca de 50% são perdidas nos centros de distribuição; e os 10% restantes se dividem entre supermercados e consumidores (FAO, 2017). Neste contexto, a Assembleia Geral das Nações Unidas criou a coleção de 17 metas globais a serem alcançadas até o ano de 2030, chamada ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável), entre os objetivos estão: consumo e produção responsáveis, agricultura sustentável, inovação, ação contra a mudança global do clima, estes são alguns dos objetivos do movimento, conforme exemplifica a Figura 1. Figura 1 – Objetivos da ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável) Fonte: PLAN INTERNATIONAL (2017, s./p.) 13 Conforme a FAO (2017), a problemática da perda e o desperdício de alimentos chegam, aproximadamente, a um terço do alimento produzido no mundo, ou seja, 1,3 bilhão de tonelada anual - o que torna as ações que resultam na redução de perdas de alimentos imprescindíveis. Assis e Britto (2014) descrevem que os revestimentos e embalagens para frutas apresentam um grande potencial de conservação destes alimentos, o que reduz o desperdício, uma vez que os revestimentos têm como papel colaborar para a preservação organoléptica do alimento, preservar o valor nutricional, evitar ganho excessivo de água e impedir trocas gasosas que podem acelerar sua degradação. Muitos materiais plásticos petroquímicos foram desenvolvidos e direcionados para a aplicação no setor alimentício, porém, foi inegavelmente ignorado por muito tempo o impacto ambiental negativo que toda essa cadeia semeava, desde a extração do recurso natural não renovável até a aplicação e uso dos seus derivados. No entanto, nos últimos tempos, novos materiais plásticos promissores e ecologicamente corretos estão se tornando destaque como no caso dos bioplásticos – materiais que derivam de fontes renováveis de biomassa e que têm sido uma alternativa aos plásticos obtidos de derivados do petróleo, que é uma fonte “não renovável e não sustentável” (MCLELLAN et al., 2019). O bioplástico pode ser utilizado para os mais diversos fins, destacando-se como material para revestimentos alimentícios, como em frutas e vegetais, já que essa aplicação pode agir beneficamente na manutenção dos alimentos, evitando perdas prematuras (ORTIZ et al., 2012). De acordo com a European Bioplastics (2020), do total de material bioplástico produzido, 53% (1,14 milhão de tonelada) foram destinados ao mercado de embalagens alimentícias, sendo o maior seguimento do setor. A Figura 2 mostra as principais fontes para obtenção de polímeros biodegradáveis. 14 Figura 2 – Principais polímeros biodegradáveis disponíveis atualmente Fonte: Adaptado de OLIVEIRA et al. (2016, p. 18). A Figura 2 mostra que a celulose pode ser uma das fontes biodegradáveis, o que a torna um material viável para a produção de bioplástico. Dentre os tipos de celulose em ampla pesquisa no mundo científico, destaca-se a celulose bacteriana sintetizada por bactérias. Para a produção de celulose bacteriana, utiliza-se meios de cultivos contendo fonte de carbono e outros nutrientes que são necessários para a síntese de celulose através de cultura bacteriana. O meio padrão para a produção de celulose bacteriana foi desenvolvido por HESTRIN e SCHRAMM, em 1954. Este meio sustenta alta produção de celulose bacteriana, porém é considerado ainda de alto custo, o que acaba por influenciar nas despesas do processo de produção. Sendo assim, o desenvolvimento de meios de cultivos de baixo custo para a produção de celulose bacteriana se faz necessário. Uma alternativa para isso é o uso de fontes de nutrientes originários de produtos e subprodutos da agroindústria, que são baratos e suportam uma boa produção de celulose bacteriana (CARNEIRO, 2015). Polímeros Biodegradáveis Fontes Renováveis Polissacarídeos Amido Celulose Proteínas e Lipídios Microrganismos Polihidroxialcanoato (PHA) Polihidroxibutirato (PHB) Polihidroxidobutirato co-valerato (PHBV) Biotecnologia Poliácido lático (PLA) Petroquímicos Prolicaprolactonas (PCL) Co-poliésteres alifáticos Co-poliésteres aromáticos 15 A celulose bacteriana pode ser misturada com outros polímeros, visando à produção de um material adequado para uma determinada aplicação. Logo, outro material que pode ser utilizado para a formulação do bioplástico é a pectina, polímero de carboidratos. Segundo Canteri et al. (2012), a pectina possui alta capacidade de formação de gel e pode ser utilizada tanto como plastificante como para a formação de filmes biodegradáveis. Desse modo, uma blenda contendo celulose bacteriana e pectina para a formulação de revestimento bioplástico para frutas se mostra uma alternativa interessante por envolver neste estudo o aspecto tecnológico, à preservação de recursos ambientais e à preocupação social. Portanto, a utilização de plásticos derivados de biomassa para revestimentos ou embalagens para frutos preserva o alimento e se mostra também uma alternativa ambientalmente interessante. 86 6 CONCLUSÃO Nos testes efetuados, chegou-se à conclusão de que a realização do cultivo de celulose bacteriana em condição estática ou até em baixa rotação promoveu a melhor produção de celulose bacteriana, utilizando a bactéria Komagataeibacter hansenii. Além disso, em termos de produção de celulose bacteriana, é possível constatar que a substituição da glicose do meio HS por caldo de cana-de-açúcar ou suco de laranja se mostrou bem promissora e que o acréscimo de etanol ao meio padrão foi favorável. Um importante fato a comentar em relação à utilização ao caldo de cana-de- açúcar e do suco de laranja é o baixo custo desses substratos. Com isso, foi possível elaborar meios de cultivos de baixo custo e, desse modo, viabilizar a produção de celulose bacteriana. O presente estudo deu ainda continuidade à análise após os resultados de sintetização da celulose bacteriana com a formulação e elaboração de um biomaterial, utilizando as membranas celulósicas obtidas no bioprocesso. Com isso, foi alcançado um revestimento bioplástico de alto valor agregado e baixo custo, que apresentou grande potencial de aplicabilidade em morangos que proporcionou a manutenção das características pós-cultivo da fruta, mantendo a firmeza, controle de rubor precoce e proliferação fúngica, evitando alterações degradantes sem a presença de refrigeração. 88 8 REFERÊNCIAS ABISA. Cotações 2021. Disponível em: https://abisa.com.br/cotacoes/cotacoes- 2021. Acesso em: 13/09/2021. AHMAD, M. et al. Physico-mechanical andantimicrobial properties of gelatin film from the skin of unicorn leatherjacket incorporated with essential oils. Food Technology, v. 28, p. 189-199, 2012. ALABAN, C. A. 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