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PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO POLI (3-HIDROXIBUTIRATO-CO-HIDROXIVALERATO)-PHBV, UTILIZADO COMO AGENTE ENCAPSULANTE

F.M.R., Mendonça¹, A. Junges², M.H. Kunita³, C. Dariva¹; E. Franceschi¹

1 Núcleo de Estudos em Sistemas Coloidais – Nuesc – Universidade Tiradentes –

Unit – Aracaju – SE 2 Departamento de Engenharia de Alimentos – Universidade Regional Integrada do

Alto Uruguai e das Missões – Uri – Erechim – RS ³ Departamento de Química – Universidade Estadual de Maringá – UEM –

Maringá– PR e-mail: [email protected]

RESUMO Encapsulação é definida como uma tecnologia que visa "empacotar" princípios ativos na forma de sólidos ou líquidos. Esses princípios ativos são comumente encapsulados em matrizes poliméricas, onde, o material é liberado gradativamente sobre condições especificas. O encapsulamento de materiais é uma técnica aplicada em diversos setores tais como: indústrias de alimentos, cosméticos, farmacêutica e agropecuária. O encapsulamento é uma forma de promover proteção e estabilidade a princípios ativos frente a fatores externos que possam degradá-lo, como temperatura, a presença de oxigênio e exposição à luz. O PHBV- Poli(3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) é um co-polimero natural, semicristalino de cadeia linear, pertencente a classe dos poliésteres, composto por unidades monoméricas aleatórias dos ésteres hidroxibutirato (HB) e hidroxivalerato (HV). O PHBV é amplamente utilizado como um meio para proteção quando empregado como uma matriz encapsulante. O PHBV foi utilizado para o encapsulamento de carotenoides em alimentos, bem como em os produtos farmacêuticos, devido à possibilidade de controlar a liberação do fármaco, além de ser biodegradável diferente dos polímeros sintéticos, degrada-se em aproximadamente 5-6 semanas em ambientes ricos em microrganismo além de ser biocompatível. As propriedades químicas influenciam fortemente nas características do polímero, como peso molecular, transição vítrea e a porcentagem de monômeros. Com isso, o objetivo do trabalho foi purificar e caracterizar o PHBV, posteriormente o mesmo foi utilizado para encapsular o óleo de Azadirachta indica utilizando a técnica de Secagem do Solvente de Emulsão por Fluido Supercrítico-SFEE. As técnicas de caracterização utilizadas foram: Ressonância Magnética Nuclear (RMN), Cromatografia de Permeação Em Gel (GPC), Análise Termogravimétrica (TG) O PHBV se mostrou um excelente polímero a ser utilizado para o encapsulamento de óleo vegetal pela técnica SFEE, com propriedades químicas bem definidas. Palavras-chave: PHBV, Encapsulamento e Caracterização polimérica.

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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mailto:[email protected]

INTRODUÇÃO

Microencapsulação é definida como a tecnologia de “empacotamento” de

materiais ativos na forma de sólidos, líquidos ou até mesmo gasosos, estes

materiais são encapsulados em camadas poliméricas que podem vir a liberar o

material sob condições específicas e, ainda, em taxas controladas. O

encapsulamento de materiais é uma técnica amplamente aplicada em diversos

setores tais como: indústrias de alimentos, de cosméticos, farmacêutica,

agropecuária (1-2).

O encapsulamento é uma forma de promover proteção e estabilidade a

princípios ativos frente a fatores externos que possam degradá-lo, como

temperatura, a presença de oxigênio e exposição à luz. Dependendo do composto

a se encapsulado usam-se agentes que se adequam ao material trabalhado,

podendo ser carboidratos: amido, dextrinas, açúcar, celuloses, quitosana. Gomas:

goma arábica, alginato de sódio polímeros naturais e sintéticos (3).

Os agentes utilizados para encapsular aumentam a estabilidade e efetividade

do principio ativo. Diante dessa demanda, aumenta o interesse e o estudo por

agentes encapsulantes, entre eles, os polímeros biodegradáveis de origem natural.

Estes polímeros degradam-se mais rapidamente que os polímeros sintéticos e não

deixam nenhum resíduo proveniente dessa degradação, o que os torna uma

alternativa eficaz na prevenção/proteção do meio ambiente (4).

Os materiais poliméricos biodegradáveis e biocompatíveis vêm sendo

utilizados em distintos campos de aplicação devido a suas vantagens como, fácil

processamento e manuseio e principalmente por degradarem rapidamente na

natureza sem deixar resíduos que possam afetar o local que foi aplicado (4-5).

Os poli (hidroxialcanoatos) são poliésteres biodegradáveis sintetizados por via

bacteriana, a partir de matérias renováveis. O polímero é sintetizado por inúmeras

bactérias e tem como principal função a reserva de carbono e energia. As

propriedades físicas e mecânicas desses materiais dependem da composição

monomérica e da distribuição de massa molar dos polímeros, as quais estão

diretamente relacionadas as condições de crescimento e aos microrganismos que

os produzem (6).

Dentre os materiais comumente usados como agentes encapsulantes (-se

destacar o poli(3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) - PHBV que é um co-polímero


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semicristalino de cadeia linear da classe dos poliésteres, composto por unidades

monoméricas aleatórias dos ésteres hidroxibutirato (HB) e hidroxivalerato (HV) cuja

razão monomérica influenciafortemente nas propriedades deste co-polímero tais

como cristalinidade, ponto de fusão e cristalização. Apresenta como características

principais, menor dureza, menor resistência à tração e maior elasticidade, quando

comparado a outros polímeros (7).

O processo de obtenção do PHBV é por via bacteriana. Os microrganismos

nutrem-se de açúcares e os transformam em grânulos intracelulares, chamados de

poliésteres. Para as bactérias esses poliésteres servem como reserva de energia.

No final da fermentação é formando o hidroxibutirato com segmentos aleatórios de

hidroxivalerato (7-8).

Existem diferentes técnicas descritas na literatura que são utilizadas na

encapsulação de óleos e princípios ativos. A aplicação de técnicas utilizando

fluidos supercríticos, como por exemplo o dióxido de carbono, para encapsular

princípios ativos é uma possibilidade frente a processos convencionais. Uma

técnica recente e promissora para produzir partículas é a utilização de fluidos

supercríticos em combinação com emulsões. Esse processo, denominado Extração

do Solvente de Emulsões por Fluido Supercrítico – SFEE, consiste em extrair o

solvente orgânico presente em gotículas de uma emulsão do tipo óleo em água,

usando dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2) (8-9).

Com isso, o objetivo do trabalho consiste em caracterizar o PHBV

quimicamente, a fim de identificar seu potencial como agente encapsulante.

MATERIAIS E MÉTODOS

O co-polímero poli(3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato)-(PHBV) utilizado nos

experimentos de encapsulamento foi gentilmente cedido pela empresa PHB

Industrial S/A.

Caracterização química do poli(3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato)-PHBV

Purificação do PHBV

Previamente à utilização do PHBV nos experimentos de encapsulamento, foi

necessário realizar a purificação para retirada de impurezas que estavam presente

devido a sua coloração amarelada. A purificação do PHBV foi realizada baseada no


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trabalho (10). A principio, 25g de PHBV foi solubilizado em 500mL de clorofórmio, a

mistura obtida permaneceu sob agitação constante a 50º C por três horas. A

solução resultante foi filtrada (Marca Whatman 45 μm) a vácuo, em seguida foi

vertida lentamente em um Becker contento heptano. A proporção utilizada foi de

100mL de solução para 250mL de heptano. O polímero precipitado foi recolhido e

separado, posteriormente foi levado a capela de exaustão por 24hs, para remoção

do solvente residual. Esse processo foi repetido três vezes.

Termogravimetria (TG)

A análise termogravimétrica foi realizada utilizando um equipamento de

termogravimetria da TA Instruments (modelo TGA Q-50). Foram pesadas

aproximadamente 6 mg de amostra e condicionadas em um cadinho de platina. O

cadinho foi inserido no equipamento e o sistema foi aquecido da temperatura

ambiente até 500 °C a uma taxa de aquecimento de 10 °C.min-1 sob fluxo de

nitrogênio de 100 mL.min-1

Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Através da interpretação dos espectros de RMN é possível determinar a razão

entre os monômeros que constituem o co-polímero. Os espectros de ressonância

magnética nuclear de carbono (RMN-13C) foram obtidos utilizando um

espectrofotômetro da marca Varian (modelo Mercury Plus 75 MHz para o carbono).

As amostras foram preparadas em soluções de clorofórmio deuterado (CDCl3) com

concentrações de 20 mg.L-1. O deslocamento químico foi apresentado como

valores de δ (ppm). Para estimar o percentual (em mol) de 3-hidroxivalerato

presente no PHBV, os picos dos sinais 0,8 e 10,0 ppm referentes ao grupo metil do

HV (Hidroxidovalerato) e HB (Hidroxibutirato) respectivamente, foram integrados. O

percentual foi calculado utilizando a Equação (1).

(1)


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Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)

A massa molar do PHBV foi determinada usando um cromatógrafo (Viscotek

GPCMax VE2001 - Triple Detector - Malvern Instruments). Uma amostra de PHBV

foi solubilizada em clorofórmio na concentração de 2,0 % m/v durante 24h. Para a

análise, foi empregado como eluente o Tetrahidrofurano - THF sob fluxo de 1,0

mL.min-1. Foram injetandos 10 mL da amostra ocorrendo a separação em 3

colunas (Shodex 806M), termoestabilizadas a 40° C. A massa molar obtida foi

determinada com base em uma curva de calibração empregando poliestireno

padrão (PolyAnalytiK) dissolvido em THF em diferentes concentrações. A curva de

calibração foi obtida na temperatura de 40 °C utilizando detector de índice de

refração (IR).

Encapsulamento do óleo de Nim em PHBV empregando a técnica de Extração do Solvente da Emulsão por Fluido Supercrítico Os experimentos de encapsulamento do óleo de Nim, obtido através da

prensagem da semente, foi realizado pela técnica de Extração do Solvente da

Emulsão por Fluido Supercrítico, do inglês Supercritical Fluid Extraction of

Emulsions (SFEE). Os testes de encapsulamento utilizando o PHBV foram

conduzidos em um aparato experimental montado e validado, disponível no Núcleo

de Estudos em Sistemas Coloidais – NUESC/ITP- Aracaju/SE.

Análise da Morfologia por Microscopia Eletrônica de Varredura- MEV

A morfologia das partículas formadas foi avaliada através de um microscópio

eletrônico de varredura marca JEOL, modelo JSM-6510LV. As amostras

precipitadas foram manualmente dispersas sobre fitas de carbono condutoras,

dispostas em porta amostras de alumínio. As amostras foram recobertas com uma

fina camada de ouro utilizando um metalizador e posteriormente obtidas as

micrografias. A análise descrita acima foi realizada no Departamento de Física da

Universidade Federal de Sergipe.


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RESULTADOS E DISCUSSÃO

Purificação do Polímero

O PHBV é considerado um polímero de origem natural, por ser produzido por

bactérias a partir do processo de fermentação da cana de açúcar (7). O PHBV

utilizado nesse trabalho apresentava coloração amarelada, indicando o acumulo de

resíduos da matéria prima (Figura 1), por isso se fez necessário a sua purificação.

Figura 1: PHBV sem tratamento prévio (A); PHBV purificado (B).

Com a purificação do polímero, foram retiradas substâncias que poderiam

interferir negativamente nas propriedades do PHBV no decorrer desse trabalho.

Como mostrado na Figura 1, após a purificação o PHBV teve a sua coloração

alterada, de amarelada para branco, indicando visualmente um maior índice de

pureza em relação ao mesmo, antes da purificação. O grau de pureza do PHBV

pode ser confirmado através dos resultados da análise termogravimétrica.

Termogravimetria (TG)

A termogravimetria (TG) foi empregada para avaliar a estabilidade térmica do

polímero, observando assim, a perda de massa desse material em função da

temperatura (Figura 2).


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Figura 2: Análise termogravimétrica realizada para a amostra de PHBV.

Os resultados apresentados na Figura 2 mostram que a decomposição

térmica do PHBV iniciou na temperatura de aproximadamente 250 °C e o valor de

temperatura final de decomposição térmica do PHBV foi de aproximadamente 310º

C. Estes resultados obtidos estão de acordo com trabalhos reportados na literatura

que mostram que a degradação do polímero ocorreu em uma única etapa,

demonstrando a pureza do mesmo (11-12).

Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

A partir do resultado obtido foi possível a identificação dos grupos funcionais

através de cadeias de hidrogênio. O espectro de RMN (Figura 3) mapeia cada

grupo de hidrogênio em forma de picos.


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Figura 3: Espectro de RMN obtido a partir da amostra de PHBV.

O deslocamento dos picos de ressonância do espectro de RMN

correspondem à ligação metil (-CH3), sendo o deslocamento químico de 10 ppm

correspondente ao Hidroxibutirato (CH3-CH) e o descolamento químico 0,81ppm

correspondente ao Hidroxivalerato (CH3-CH2). Através da integração da área

destes dois picos foi possível calcular o percentual equivalente aos respectivos

grupos. Realizado o cálculo o percentual de hidroxibutirato (HB) encontrado foi de

92,5% e o percentual de hidroxivarelato (HV) encontrado foi de 7,5%.

O percentual de HV no co-polímero é responsável por mudanças

consideráveis nas propriedades físico-químicas do PHBV. Estudos apresentam

aspectos similares aos obtidos nesse trabalho (10-13).

Cromatografia de Permeação em Gel (GPC)

As propriedades mecânicas e o comportamento térmico do polímero durante

o processamento são dependentes do tamanho médio e da distribuição do

comprimento das cadeias além da razão entre os monômeros. Embora a estrutura

química do polímero seja igual, massas molares diferentes podem mudar

completamente as propriedades do polímero (propriedades físicas, mecânicas,

térmicas) (14).


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As massas molares do PHBV determinadas por GPC foram respectivamente,

Mn 162.900 Da, Mw 260.813 Da. A partir da razão entre as massas molares

mássica e numérica, Mw/Mn o índice de polidispersividade, PI, foi determinado,

assumindo um valor de 1,6. A massa molar tem influência direta nas propriedades

dos polímeros, um alto peso diminui a cristalização, resistência à tração e fluidez e

aumenta a resistência ao impacto. Índice de polidispersividade <1 indica um

polímero polidisperso, com cadeias poliméricas de diferentes tamanhos (14).

Caracterização morfológica das partículas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

Com a finalidade de determinar a morfologia real das partículas formadas

pela técnica SFEE, foram obtidas imagens de microscopia eletrônica de varredura.

A Figuras 4 apresenta os aspectos morfológicos das partículas formadas.

Figura 4: Micrografia das nanoparticulas de PHBV

Com base nas micrografias apresentadas, é possível notar que, as

nanoparticulas de PHBV formadas se apresentaram em um aglomerado, com

partículas em escala nanométrica interconectadas. Houve uma fusão das

nanopartículas formando um material com aspecto de filme. Os processos de

lavagem com centrifugação e liofilização, podem estar relacionados à mudança

morfológica das nanopartículas.


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CONCLUSÃO

Diante das caracterizações expostas nesse trabalho, pôde-se constatar que

o PHBV, se apresentou como um excelente polímero a ser utilizado no

encapsulamento de óleos de origem vegetal. Suas propriedades químicas foram

identificadas, facilitando a sua utilização em novos experimentos de

encapsulamento.

AGRADECIMENTOS A Unit pela infraestrutura, a FAPITEC pela bolsa concedida, ao laboratório NUESC

- ITP/UNIT e ao Departamento de Química da Universidade Estadual de Maringá –

Paraná, onde foram realizados os testes para a caracterização do PHBV.

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(15) loaded with andiroba oil: Preparation and characterization. Materials Science

and Engineering, v. 32, p. 1121–112, 2012.

Purification and characterization of poly (3-hydroxybutyrate-co-

hydroxyvalerate) -PHBV, used as agent encapsulant

ABSTRACT

Encapsulation is defined as a technology that aims to "packaging" active ingredients

in solid or liquid. These active ingredients are commonly encapsulated in polymer

matrices, where the material is released gradually on specific conditions. The

encapsulation material is a technique applied in various industries such as: food,

cosmetics, pharmaceuticals and agriculture. Encapsulation is a way to promote

protection and stability to active front principles to external factors that might

degrade it, such as temperature, the presence of oxygen and exposure to light. The

PHBV- Poly (3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) is a natural copolymer,

straight-chain semicrystalline, belonging to the class of polyesters composed of

monomer units of random esters hydroxybutyrate (HB) and hydroxyvalerate (HV).

The PHBV is widely used as a means for protection when used as an encapsulant

matrix. PHBV has been used for the encapsulation of compounds in foods and in

pharmaceutical products because of the possibility of controlling drug release, and

is different from the biodegradable synthetic polymer, degrades in about 5-6 weeks

rich environments microorganism in addition to being biocompatible. The chemical

properties strongly influence the polymer characteristics such as molecular weight,

glass transition, and the percentage of monomers. Thus, the objective was to purify

and characterize the PHBV, later it was used to wrap the Azadirachta indica oil

using the technique of emulsion solvent drying by Supercritical Fluid-SFEE. The use

characterization techniques were: Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Chromatography Gel Permeation (GPC), thermogravimetric analysis (TG) The

PHBV showed an excellent polymer to be used for the encapsulation of vegetable

oil by SFEE technique with properties well defined chemical.

Key-words: PHBV, Encapsulation e polymer characterization


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