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.
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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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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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