Chemical composition and physicochemical characterization of fruit waste, and the use of macromolecules in bioplastic and biocomposite production - Vieira, Rogerio Martins [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
A disposição final dos resíduos gerados na produção de frutas é um sério problema ambiental, os quais são matéria-prima notável para inúmeras aplicações de valor agregado. Este estudo teve como objetivo a completa caracterização físico-química de três principais resíduos de frutas produzidos no estado de São Paulo (Brasil), sendo o pseudocaule da bananeira, o bagaço de laranja e a semente de goiaba, bem como o uso da lignina modificada na produção de bioplásticos e biocompósitos. As biomassas foram analisadas com base na sua composição química, tempo ideal de remoção de extrativos, tamanho de partícula, propriedades estruturais e potencial uso de macromoléculas. Os extrativos foram removidos a partir de 1 g de material, utilizando separadamente etanol e água como solvente por 4, 8, 12 e 16 horas cada, e a sequência etanol-água por 8 horas cada foi utilizada como controle. A composição química foi determinada por hidrólise ácida com H2SO4 72% (m/m). Os resultados mostraram que 4 h de extração foram suficientes para todos os materiais com ambos os solventes, e foi observada uma composição variada entre as biomassas. A semente de goiaba apresentou o maior teor de lignina, 41,66% (em base de massa seca), o pseudocaule da bananeira apresentou 33,97% de celulose e o bagaço de laranja apresentou alto teor de extrativos, de 60,78%. Todas as biomassas obtiveram a soma de componentes superior a 92%, o que sugere a aplicabilidade de tais métodos de caracterização química para resíduos de frutas. Para a avaliação granulométrica, cinco granulometrias diferentes foram selecionadas aleatoriamente, 850, 600, 425, 250 e 106 μm, e analisadas na sua forma in natura, livre de extrativos e livre de extrativos/pectina por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios-X (XRD). De acordo com os resultados, foi observado que o tamanho de partícula influenciou no teor de extrativos principalmente entre as granulometrias de 850 e 106 μm, com variações de 8,40% (em base de massa seca) para bagaço de laranja e 44,72% para pseudocaule de bananeira. Em relação à remoção de pectina, houve influência significativa entre partículas de 850 e 425 μm, de 24,14% e 25,86%, respectivamente. Os espectros de FTIR mostraram um aumento na intensidade das bandas após a redução do tamanho das partículas, enquanto as imagens MEV mostraram superfícies típicas de materiais lignocelulósicos e algumas modificações na estrutura da fibra após a remoção dos extrativos. A partir dos dados de XRD, foi detectada uma influência significativa da granulometria na cristalinidade de todas as amostras. Como uma abordagem de valorização, a lignina foi extraída do pseudocaule da bananeira pelo método organosolv, modificada através da reação de esterificação usando anidrido maleico, caracterizada e usada como aditivo em filmes à base de quitosana produzidos por casting a 2 e 5% (m/m) de lignina esterificada. Foi incorporada também a matrizes de ácido polilático (PLA) via melt-compounding seguido de moldagem por compressão, usando 5 e 10% (m/m) de lignina esterificada. A adição de lignina resultou principalmente em melhora da hidrofobicidade, com uma redução de 14,4% na permeabilidade ao vapor de água para o filme à base de quitosana; eficiência completa de bloqueio da luz UV para todos os compósitos de lignina-PLA; e aumento da atividade antioxidante para ambos os materiais em comparação com os controles. Esses resultados mostraram que o uso de lignina modificada para produzir bioplásticos e biocompósitos surge como uma alternativa para o desenvolvimento de materiais avançados e sustentáveis, bem como a valorização de resíduos da produção de frutas.

Waste generation from fruit production is a serious environmental problem due to challenges related to its final disposal, despite being a valuable feedstock for numerous value-added applications. This study aimed to comprehensively characterize the physicochemical properties of three major fruit residues from São Paulo State, Brazil: banana pseudostem, orange bagasse, and guava seed, and to explore the application of modified lignin in the production of bioplastics and biocomposites. The biomasses were analyzed for their chemical composition, optimal extractive removal time, particle size, structural properties, and the potential use of macromolecules. Extractives were removed from 1 g of each material using ethanol and water separately for 4, 8, 12, and 16 hours, as well as sequentially with ethanol followed by water for 8 hours each as a control. Chemical composition was determined based on the contents of cellulose, hemicellulose, lignin, extractives, and ash using acid hydrolysis with 72% sulfuric acid (w/w). The results indicated that 4-hour extraction was sufficient for all materials, and the biomasses exhibited distinct compositions. Guava seed had the highest lignin content, at 41.66% (dry basis); banana pseudostem had 33.97% cellulose; and orange bagasse presented a high extractive content of 60.78%. All biomasses showed a total component content greater than 92%, supporting the applicability of these chemical characterization methods to fruit residues. For particle size evaluation, five granulometries were randomly selected (850, 600, 425, 250, and 106 μm) and analyzed in natura, extractive-free, and extractive/pectin-free forms using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). The effect of particle size on extractive content was most pronounced when comparing the 850 μm and 106 μm fractions, with variations of 8.40% for orange bagasse and 44.72% for banana pseudostem. Pectin removal also showed a significant influence between the 850 μm and 425 μm particles, with differences of 24.14% and 25.86%, respectively. FTIR spectra revealed increased band intensity after particle size reduction. SEM images showed characteristic lignocellulosic surfaces and some structural modifications after extractive removal. XRD analysis indicated a strong influence of granulometry on the crystallinity of all samples. As a valorization strategy, lignin was extracted from banana pseudostem using the organosolv method, modified via esterification with maleic anhydride, characterized, and used as an additive in chitosan-based films produced by the casting method with 2 and 5 wt% of esterified lignin, and in polylactic acid (PLA) matrices via melt compounding followed by compression molding with 5 and 10 wt% of esterified lignin. Lignin addition mainly resulted in improved hydrophobicity, with a 14.4% reduction in water vapor permeability for chitosan-based films; complete UV-blocking efficiency in all lignin-PLA composites; and increased antioxidant activity in both materials compared to the controls. These results demonstrate that the use of modified lignin in bioplastics and biocomposites offers a promising pathway for developing advanced and sustainable materials, while contributing to the valorization of fruit production waste.
Composição química e caracterização físico-química de resíduos de frutas e uso de macromoléculas na produção de bioplásticos e biocompósitos
Keywords: Bioplastic; Biocomposite; Lignocellulosic biomass; Physicochemical characterization; Chemical modification; Banana pseudostem; Orange bagasse; Guava seed; Bioplástico; Biocompósito; Pseudocaule de bananeira; Bagaço de laranja; Semente de goiaba