Mestrado Integrado em Bioengenharia
Ramo de Engenharia Biológica

Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a
filmes e revestimentos edíveis para embalagem
alimentar

Dissertação de Mestrado
de

Loleny Tavares
Desenvolvida no âmbito da unidade curricular de Dissertação
Realizado em Julho de 2015

Orientador na FEUP: Cristina Rocha
Co-Orientador na FEUP: Hiléia Souza

Departamento de Química
Junho de 2015

Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Agradecimentos
Eis que chegou o momento de expressar sinceros agradecimentos a todos que
contribuíram na realização deste trabalho e no sonho de ser Engenheiro.
Agradeço, em primeiro lugar, a Deus, pelo abençoo e pelos bons momentos que me tem
proporcionado.
À Doutora Cristina Rocha, orientadora desta dissertação, pelos conhecimentos, atenção,
motivação e disponibilidade ao longo do trabalho. Quero deixar aqui um muito obrigado
pelos ensinamentos adquiridos que com certeza serão essenciais no futuro próximo.
À Doutora Hiléia Souza, co-orientadora desta dissertação, pela confiança, motivação e
conhecimentos durante a execução deste trabalho. Obrigado pelos ensinamentos
adquiridos e pela forma carinhosa que sempre me tratou.
Aos meus colegas de laboratório, Andreia, Raquel, João, Júlia pelos suportes e
ensinamentos partilhados. Obrigado por tornarem o meu trabalho mais facilitado.
À minha mãe, minha melhor amiga e guerreira! Por tudo o que fez e faz por mim.
Obrigado pelo amor e carinho demostrados ao longo desta caminhada.
Ao meu irmão, meu melhor amigo, pelo suporte e companheirismo demostrado ao longo
da minha vida. Irmão obrigado por tudo!
Ao meu grande amigo Manuel Pina, pelo companheirismo e pelas longas horas de
chamadas telefónicas.
A todos os meus amigos e companheiros Cabo-verdianos da Feup pelos bons e merecidos
momentos vividos.
Ao meu amigo Engenheiro José Borges, pela amizade, companheirismo e revisão deste
trabalho.
Aos meus colegas de curso pela partilha de conhecimentos e ensinamentos desde os
primeiros dias na Feup.
A todos os meus Professores, desde infância até a esta data, pelos ensinamentos. Queria
dizer-vos o seguinte: nunca deixem de lutar pelos vossos merecidos direitos.
E por fim, não menos importante, à minha família em geral pela amizade e apoios.
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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Resumo
O presente trabalho tem como principal objetivo realizar o estudo do potencial de
aplicação dos efeitos sinérgicos entre biopolímeros a filmes e revestimentos para
embalagem. Como é sabido, a utilização de plásticos de origem sintética para formulação
de embalagens tem causado sérios problemas ecológicos devido a sua não
biodegrabilidade. Para colmatar este flagelo ambiental uma das alternativas recorrentes é
a utilização de biopolímeros devido a sua biodegrabilidade e disponibilidade.
Na primeira fase do trabalho, efetuaram-se estudos preliminares de dispersão ótica para
a determinação do ponto isoelétrico das proteínas, razão ótima da interação entre os
biopolímeros e influência da quantidade de água adicional (no coacervato) nas
propriedades mecânicas e de vapor de água dos filmes, tendo-se previamente escolhido
proteína do soro do leite (PSL) e proteína de soja (PS), ambas com cargas negativas, e
quitosano (Q), polissacarídeo com carga positiva, para formular filmes compósitos
recorrendo à técnica de "casting" e mecanismo de coacervação. Chegou-se a conclusão
de que os filmes com maior percentagem de água, devido ao seu efeito plastificante,
possuíam maior alongamento e menor tensão e barreira ao vapor de água. Com o intuito
de averiguar se a incorporação de pequenas quantidades de quitosano na matriz proteica
provocaria uma melhoria nas caraterísticas dos filmes, foram realizados estudos das suas
propriedades mecânicas (forças de tensão e deformação), permeabilidade ao vapor de
água, solubilidade, microestrutura, cor, opacidade e a sua isotérmica de sorção de água.
Verificou-se que a mistura dos biopolímeros resultou em filmes com melhores
caraterísticas e propriedades justificado pela existência de efeitos sinérgicos. Obtiveramse filmes com boas propriedades mecânicas e de permeabilidade ao vapor de água,
homogeneidade, transparência e sem odores.
Revestimentos à base de PSL, PSL+Q e Q foram aplicados às cerejas pelo mecanismo de
imersão a fim de verificar sua viabilidade na manutenção da qualidade pós-colheita.
Foram avaliadas a sua firmeza, pH, cor, perda de peso e analises microbiológicas a
bolores, leveduras e mesofilos totais. Verificaram-se reduções mais acentuadas na
firmeza e perda de peso e um ligeiro aumento de pH e crescimento de leveduras e bolores
nas cerejas sem revestimento (controlo), enquanto a cor manteve-se praticamente
constante para todas as amostras.
Palavraschave: filmes, revestimentos, proteína do soro de leite, quitosano, sinérgicos

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Abstract
This project has as main objective to make a study of the potential application of synergic
effects between the biopolymer films and coatings for packaging. As it is known, the use
of plastic of synthetic sources to containers formulation have caused serious ecological
problems due to their non-biodegradability. To address this environmental scourge, one
of the alternatives is the use of biopolymers due to its biodegradability and availability.
In the first stage of the work, preliminary studies were performed about the optical
dispersion to determine the isoelectric point of the protein, find the optimal interaction
between the biopolymers and the influence of the excess water (in the coacervate) in the
mechanical properties and barrier of water vapor in the films. Whey protein isolate (PSL)
and soy protein (SP), both with negative charges and chitosan (Q) with a positive charge,
were chosen to formulate composite films using the technique of casting and coacervation
mechanism. It was concluded that films with higher percentage of water, due to its
plasticizing effect, have higher elongations and lower voltage barrier to water vapor. In
order to investigate whether the incorporation of small amount of chitosan in the
polymeric matrix would result in an improvement in the characteristics of the films,
studies were made of their mechanical properties (stress and strain forces), water vapor
permeability, solubility, microstructure color, opacity and its sorption isotherm in water.
It was found that the mixture of biopolymers resulted in films with improved properties
and characteristics, explained by the existence of synergistic effects. Films were obtained
with good mechanical properties and permeability to water vapor, homogeneity,
transparency and without odor.
Coatings with solutions of PSL, PSL+Q and Q were applied to cherries by immersion
technology, to check their viability in maintaining or improving postharvest quality.
Cherries were evaluated in the second, third and seventh day by means firmness, pH,
color, weight loss and microbiology to test for yeast, mold and mesophilic total in the
seventh day. Reductions in loss of weight and growth of yeasts and molds were observed
as well a slight increase in pH and firminess in coated cherries when compared with
uncoated cherries (control). It was verified that colour remained almost constant in all of
samples.
Keywords: films, coatings, whey protein isolate, chitosan, synergistic

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Notação e Glossário
E

Alongamento

(m)

aw

Atividade de água

Adimensional

Op

Opacidade

%

T

Tensão de corte

(N/m2)

C

Constante de Guggenheim

Adimensional

X

Teor de humidade de equilíbrio na atividade da água aw

(g H2O/g sólido
seco)

X0

Teor de humidade na monocamada

(g H2O/g sólido
seco)

A

Área do filme

(m2)

x

Espessura

(m)

WVP

Permeabilidade ao vapor de água

(g m-1 s-1 Pa-1)

Pm

Perda de massa

(%)

k

Constante de correlação

Adimensional

pI

Ponto isoelétrico

Adimensional

D.O

Densidade ótica

Adimensional

Letras Gregas
t

Variação de tempo

(h)

L

Variação de Comprimento

(m)

m

Variação de massa

(g)

L

Variação de Comprimento

(m)

p

Variação de pressão

(Pa)

E

Diferença de cor

Adimensional

Lista de Siglas
SEM

Microscopia Eletrónica de Varrimento

Q

Quitosano

PSL

Proteína de Soro de Leite

PS

Proteína de Soja

S

Sobrenadante

PET

Politereftalato de etileno

POM

Polióxido de metileno

C

Coacervato

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Índice
Agradecimentos ............................................................................................................... iii
Resumo .............................................................................................................................. v
Abstract........................................................................................................................... vii
Notação e Glossário .........................................................................................................ix
Capitulo 1 Introdução ..................................................................................................... 1
1.1

Enquadramento geral..................................................................................................... 2

1.2

Objetivos ....................................................................................................................... 3

1.3

Estrutura da tese ............................................................................................................ 3

Capitulo 2 Filmes e revestimentos edíveis ...................................................................... 5
2.1

Filmes e Revestimentos ................................................................................................. 6

2.1.1 História e definição ................................................................................................................. 6
2.1.2 Funções e requisitos................................................................................................................ 6
2.1.3 Caraterização e avaliação das propriedades ............................................................................ 7
2.1.3.1
Propriedades de barreira ................................................................................................ 7
2.1.3.2
Propriedades mecânicas ................................................................................................. 8
2.1.3.3
Solubilidade ................................................................................................................... 9
2.1.3.4
Propriedades óticas ........................................................................................................ 9
2.1.4 Técnicas e mecanismos de formulação ................................................................................... 9
2.1.4.1
Interação entre proteínas-polissacarídeos ...................................................................... 9
2.1.4.2
Mecanismo de coacervação ......................................................................................... 10
2.1.4.3
Efeitos sinérgicos entre biopolímeros .......................................................................... 11

Capítulo 3 Formulações e caracterização de filmes comestíveis ................................. 13
3.1

Introdução ................................................................................................................... 14

3.1.1

Componentes dos filmes formulados ...................................................................... 14

3.1.1.1

Quitosano ................................................................................................................ 14

3.1.1.2

Proteína do soro de leite .......................................................................................... 15

3.1.1.3

Proteínas de soja ...................................................................................................... 16

3.1.2

Preparação de filmes edíveis ................................................................................... 17

3.2

Materiais e métodos .................................................................................................... 18

3.2.1 Materiais ............................................................................................................................... 18
3.2.2 Preparação de soluções ......................................................................................................... 18
3.2.2.1
Quitosano, proteína de soja e de soro de leite .............................................................. 18
3.2.3 Turbidimetria ........................................................................................................................ 19
3.2.3.1
Determinação do ponto isoelétrico das proteínas ......................................................... 19
3.2.3.2
Razão ótima de quitosano/proteína .............................................................................. 19
3.2.4 Crio-Microscopia Eletrónica de Varrimento (Cryo SEM) .................................................... 20
3.2.5 Formulações de filmes .......................................................................................................... 20
3.2.5.1
PSL + Q a pH 6 ............................................................................................................ 20

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

3.2.5.2
PSL a pH 6 ................................................................................................................... 21
3.2.5.3
PSL a pH 7 ................................................................................................................... 21
3.2.5.4
Q a pH 6 ....................................................................................................................... 21
3.2.5.5
PS a pH 7 ..................................................................................................................... 21
3.2.5.6
PS + Q a pH 5,5 ........................................................................................................... 21
3.2.6 Caracterização dos filmes preparados................................................................................... 22
3.2.6.1
Barreira ao vapor de água ............................................................................................ 22
3.2.6.2
Propriedades mecânicas ............................................................................................... 23
3.2.6.3
Solubilidade em água ................................................................................................... 24
3.2.6.4
Cor ............................................................................................................................... 24
3.2.6.5
Opacidade .................................................................................................................... 24
3.2.6.6
Isotérmicas de sorção ................................................................................................... 25
3.2.6.7
Análise por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) ........................................... 25

3.1

Resultados e discussão ................................................................................................ 27

3.1.1 Turbidimetria ........................................................................................................................ 27
3.1.1.1
Ponto isoelétrico das proteinas ..................................................................................... 27
3.1.1.2
Razão ótima quitosano/proteínas ................................................................................. 28
3.1.2 Cryo SEM ............................................................................................................................. 29
3.1.2.1
Sistema PSL+Q ............................................................................................................ 29
3.1.2.2
Sistema PS+Q .............................................................................................................. 29
3.1.3 Aparência dos filmes obtidos................................................................................................ 30
3.1.4 Filmes obtidos com a PSL .................................................................................................... 31
3.1.4.1
Influência de quantidade de sobrenadante ................................................................... 31
3.1.4.1.1 Propriedades mecânicas e WVP ............................................................................. 31
3.1.4.2
Análise de efeito sinérgico ........................................................................................... 33
3.1.4.2.1 Propriedades mecânicas e WVP ............................................................................. 33
3.1.4.2.2 Cor .......................................................................................................................... 35
3.1.4.2.3 Opacidade ............................................................................................................... 36
3.1.4.2.4 Solubilidade ............................................................................................................ 36
3.1.4.2.5 Isotérmicas de sorção .............................................................................................. 37
3.1.4.2.6 SEM ........................................................................................................................ 39
3.1.5 Filmes obtidos com PS ......................................................................................................... 41
3.1.5.1
Propriedades mecânicas e WVP .................................................................................. 41
3.1.5.2
Propriedades óticas ...................................................................................................... 42
3.1.5.2.1 Cor e opacidade ...................................................................................................... 42
3.1.5.3
Solubilidade ................................................................................................................. 43
3.1.5.4
SEM ............................................................................................................................. 43

Capitulo 4 Aplicação de revestimentos em cerejas ....................................................... 45
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3

4.2

Introdução ................................................................................................................... 46
Cerejas .................................................................................................................................. 46
Análise microbiológica ......................................................................................................... 47
Preparação de revestimentos edíveis .................................................................................... 47

Materiais e métodos .................................................................................................... 49

4.2.1 Aquisição e Seleção .............................................................................................................. 49
4.2.2 Preparo das soluções e aplicação do revestimento ............................................................... 49
4.2.3 Avaliações ............................................................................................................................ 50
3.1.5.5
Cor e perda de peso ...................................................................................................... 50

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

3.1.5.6
3.1.5.7
3.1.5.8

4.3

pH ................................................................................................................................ 50
Textura ......................................................................................................................... 50
Análise microbiológica ................................................................................................ 50

Resultados e discussão ................................................................................................ 52

4.3.1 Perdas de peso ...................................................................................................................... 52
4.3.2 Firmeza ................................................................................................................................. 52
4.3.3 Cor ........................................................................................................................................ 53
4.3.4 pH ......................................................................................................................................... 54
4.3.5 Análise microbiológica ......................................................................................................... 55
4.3.5.1
Mesofilos totais ............................................................................................................ 55
4.3.5.2
Leveduras e bolores ..................................................................................................... 56

5 Conclusões .................................................................................................................. 58
6 Sugestões para trabalhos futuros ............................................................................... 60
Referências bibliográficas ............................................................................................. 61
Anexos ............................................................................................................................. 68

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Lista de Figuras
Figura 1: Interação proteína- polissacarídeo (McClements, 2006). .......................................................... 10
Figura 2: Representação esquemática do mecanismo da coacervação (Semenova & Dickinson, 2013). . 11
Figura 3: Estrutura química do quitosano (Peniche-Covas et al., 1993). .................................................. 15
Figura 4: Representação esquematica do mecanismo de coacervação ...................................................... 20
Figura 5: Montagem experimental do exsicador ....................................................................................... 22
Figura 6: Curva tensão vs. deformação de um filme comestível. Adaptado:(Skurtys et al., 2010b)......... 23
Figura 7: Ponto isoelétrico das proteínas obtidas pelo método da turbidimetria ....................................... 27
Figura 8: Turbidez das amostras a pH 6, 25 0C tamponada em tampão de acetato (100 mM: - mistura de
quitosano com proteína de soro de leite; - mistura de quitosano com a proteína de soja. ........................ 28
Figura 9: Microscopia eletrônica de varrimento a baixa temperatura (Cryo SEM) de soluções: a)
Coacervato (3% PSL + 3% Q); b) Quitosano a 3%; c) Proteína a 3 %. Amplificações de x5000, 15kV
WD=15mm ................................................................................................................................................. 29
Figura 10: Microscopia eletrônica de varrimento a baixa temperatura (Cryo SEM) de soluções: a)
Coacervato (0,12% PS + 3% Q); b) Quitosano a 3%; c) Proteína a 3 %. Amplificações de x5000, 15kV
WD=15mm ................................................................................................................................................. 30
Figura 11: Aparência visuais dos filmes formulados: a) PSL, b) Q, c) PSL + Q, d) PS ........................... 30
Figura 12: Representação tridimensional do sistema CIElab .................................................................... 35
Figura 13: Isotérmica de sorção a 25 °C dos filmes de Q, PSL + Q e PSL, e os respetivos ajustes ao
modelo de GAB para diferentes atividades de água. .................................................................................. 38
Figura 14: Microscopia eletrônica de varrimento da superfície dos filmes: a) Coacervato (3% PSL + 3%
Q); b) Q a 3%; c) PSL a 3 %. Amplificações de x10000, 5kV WD=15mm ............................................... 40
Figura 15: Microscopia eletrônica de varrimento da secção transversal dos filmes: a) Coacervato (3%
PSL + 3% Q); b) Q a 3%; c) PSL a 3 %. Amplificações de x10000, 5kV WD=15mm. ............................ 40
Figura 16: Microscopia eletrônica de varrimento da superfície dos filmes: a) Coacervato (0,12% PS +
3% Q); b) Q a 3%; c) PS a 5 %. Amplificações de x10000, 5kV WD=15mm. .......................................... 44
Figura 17: Microscopia eletrônica de varrimento da secção transversal dos filmes: a) Coacervato (0,12%
PS + 3% Q); b) Q a 3%; c) PS a 5 %. Amplificações de x10000, 5kV WD=15mm. ................................. 44
Figura 18: Representação gráfica dos valores de perda de peso (%) obtidos para as amostras de cereja
com e sem revestimento ............................................................................................................................. 52
Figura 19: Firmeza (N/gcerejas) de cerejas obtidas para as amostras com e sem revestimento. .................. 53
Figura 20: Avaliação do parâmetro E (diferença de cor) nas amostras de cerejas sem revestimento
(controlo) e com revestimento (PSL, PSL+Q, e Q) ao longo de 7 dias. ..................................................... 54
Figura 21: Evolução do pH das amostras de cerejas com e sem tratamento ao longo de 7 dias. .............. 55
Figura 22: Imagem representativa dos resultados obtidos para as amostras de cerejas: a) controlo b)
PSL+Q c) Q d) PSL. ................................................................................................................................... 55
Figura 23: Imagens de amostras de cerejas com e sem tratamento. .......................................................... 57
Figura I: Imagens das amostras de cerejas sem tratamento (controlo) e com tratamento (PSL, PSL+Q e Q)
utilizadas para a quantificação e detenção de bolores e leveduras.................................................69

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Lista de Tabelas
Tabela 1: Principais propriedades e caraterísticas de quitosano ................................................................ 15
Tabela 2: Características físicas das principais proteínas de soro de leite bovino ..................................... 16
Tabela 3: Características físicas das principais proteínas de soja .............................................................. 16
Tabela 4: soluções saturadas de sais a 25 °C em diferentes atividades de água. ....................................... 25
Tabela 5:Resultados da influência de quantidade de sobrenadante nas propriedades dos filmes (ambiente
controlado): C-Coacervato, S-sobrenadante. .............................................................................................. 31
Tabela 6: Resultados da influência de quantidade de sobrenadante nas propriedades dos filmes (secos ao
ar livre). C-Coacervato, S-sobrenadante. .................................................................................................... 32
Tabela 7: Propriedades mecânicas e de barreira ao vapor de água dos filmes Q, PSL+Q e PSL (ambiente
controlado) ................................................................................................................................................. 33
Tabela 8: Parâmetros para a caracterização da cor dos filmes................................................................... 35
Tabela 9: Opacidade dos filmes preparados (Q, PSL+Q e PSL) ............................................................... 36
Tabela 10: Solubilidade dos filmes preparados (Q, PSL + Q e PSL) ........................................................ 37
Tabela 11: Valores das constantes da equação de GAB a 25ºC e o coeficiente de correlação (r 2)
calculados por regressão não linear para os filmes Q, PSL+Q e PSL. ....................................................... 39
Tabela 12: propriedades mecânicas e de vapor ao vapor de água dos filmes Q, PS + Q e PS. ................. 41
Tabela 13: parâmetros da cor dos filmes Q, PS + Q e PS .......................................................................... 42
Tabela 14: Opacidade dos filmes Q, PS + Q e PS ..................................................................................... 43
Tabela 15: Solubilidade dos filmes Q, PS + Q e PS .................................................................................. 43
Tabela 16: Amostras preparadas para o revestimento dos morangos ........................................................ 49
Tabela 17: Quantificação de microrganismos mesófilos em cerejas com e sem revestimentos. ............... 55
Tabela 18: Avaliação de bolores e leveduras em cerejas sem revestimento (contro) e com revestimento
(PSL, PSL+Q e Q) ...................................................................................................................................... 56
Tabela I: Tabela utilizada na quantificação dos microrganismos.................................................68

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Capitulo 1

Introdução

1

Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

1.1

Enquadramento geral

Após a fase final de confeção ou colheita dos alimentos, são necessários meios que
permitem a sua conservação, proteção e o seu transporte em segurança por longas
distâncias de forma a ainda estar saudável no momento que chegue aos consumidores
Dainelli et al. (2008) .
No seculo XIX começaram a ser fabricados as primeiras embalagens para a conserva
desenvolvidas por Nicholas Appert (Brody et al., 2008). No entanto, a utilização de
embalagens para a conservação dos alimentos não é um meio tão recente. Na antiguidade
o homem já utilizava bexigas e estômagos de animais, sacos de couro, folhas de plantas,
pedaços de bambu e vasos de barro cozido como embalagem alimentar (Subramanian,
2000). A crescente criação e utilização de embalagens aumentou de forma exponencial
no período entre a primeira e a segunda guerra mundial devido à necessidade de fazer
chegar os bens essenciais aos soldados em missão de guerra (Brody et al., 2008).
Atualmente a segurança alimentar dos consumidores e a ampliação do mercado de venda
produtos e consequente aumento do número de venda dos produtos são os principais
objetivos das indústrias alimentares e agrícolas. Como tal, têm sido desenvolvidas
embalagens de diversos materiais, nomeadamente vidro, papel/cartão, metal, plástico ou
multicamada constituída por dois ou mais materiais.
O plástico é o material mais usado no fabrico de embalagens para a indústria alimentar
devido às suas caraterísticas de durabilidade, flexibilidade de design, leveza e baixo
preço. No entanto, a sua reduzida taxa de degradação e consequente acumulação no meio
ambiente tem originado sérios problemas ecológicos e muitos debates nos últimos tempos
(Marsh and Bugusu, 2007). Neste sentido, têm vindo a ser desenvolvidos vários estudos
de forma a encontrar alternativas viáveis que permitam colmatar este flagelo ambiental.
Uma das alternativas recorrentes é a formulação de embalagens utilizando biopolímeros,
que por serem biodegradáveis, permitem criar alternativas aos 288 milhões de toneladas
de plásticos não biodegradáveis produzidos anualmente (Colwill et al., 2012). Estes
biopolímeros são normalmente derivados de subprodutos das indústrias alimentares,
agrícolas e fontes renováveis. Se nas formulações dos filmes para embalagem se usarem
apenas componentes comestíveis, o filme designa-se por filme edível.
Os filmes edíveis, tendo em conta a natureza dos componentes constituintes, podem ser
classificados em três categorias: hidrocolóides, lípidos e compósitos. Os hidrocolóides
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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

incluem proteínas (de soja, de soro de leite, de milho, de amendoim, glúten do trigo e
colagénio, entre outras) e polissacarídeos (amido, alginatos, celulose e derivados,
quitosano e agar, entre outros). Os lípidos englobam ceras, acilgliceróis e ácidos gordos.
Os compósitos são misturas que contêm tanto hidrocolóides como lípidos (Bourtoom,
2008).
A formulação de filmes constituídos por dois biopolímeros, filmes compósitos, tem como
vantagem a agregação dos aspetos particulares positivos dos biopolímeros tendo em vista
a formulação de filmes com melhores propriedades no geral.

1.2

Objetivos

O objetivo geral deste trabalho consistiu na avaliação do potencial de aplicação dos
efeitos sinérgicos entre biopolímeros a filmes e revestimentos para embalagem. Tendo
em conta o objetivo geral, a realização do trabalho teve as seguintes etapas:
Pesquisar e encontrar, nas publicações bibliográficas, biopolímeros com possíveis
efeitos sinérgicos aquando da mistura;
Efetuar estudos preliminares de dispersão ótica para a determinação do ponto
isoelétrico das duas proteínas escolhidas;
Determinar a razão ótima da interação e consequente formação de coacervato
entre as proteínas e o quitosano;
Fazer estudos e consequente averiguação do comportamento dos biopolímeros na
solução e consequente formação da matriz polimérica;
Fazer a caracterização dos dois sistemas de filmes e filmes constituídos por um só
componente através de estudos das suas propriedades mecânicas (forças de tensão
e deformação), permeabilidade ao vapor de água, solubilidade, microestrutura,
cor, opacidade e a sua isoterma de sorção em água;
Fazer a aplicação das soluções de biopolímeros como revestimento em cerejas e
averiguar as suas potencialidades.

1.3

Estrutura da tese

Este relatório é composto por quatro capítulos, conforme passa-se a explicar a seguir.
O primeiro capítulo é dedicado ao enquadramento geral do projeto, objetivos traçados e
alcançados ao longo da realização deste trabalho.

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

No segundo capítulo " Filmes e revestimentos edíveis" são abordados os temas, de forma
mais abrangente, relacionados com os filmes e revestimento, desde as suas origens,
funções, mecanismos utilizados para as suas formulações, até à caraterização das suas
propriedades. Também é dado um especial destaque aos filmes compostos por dois
componentes já desenvolvidos, com principal foco nos sistemas de formulação utilizando
mecanismo de coacervação por interação eletrostática.
No terceiro capítulos " formulações e caracterização de filmes comestíveis" são
abordados os temas relacionados com os filmes, e são apresentados os componentes
utilizados neste trabalho experimental, bem como as técnicas existentes para as suas
formulações. Está dividido em 3 subcapítulos. No primeiro subcapítulo são abordados os
temas citados anteriormente (componentes e técnicas de formulação). No segundo
subcapítulo "Materiais e métodos", são explicados de forma detalhada os procedimentos
e a metodologia utilizados para a formulação e caraterização dos filmes composto por um
ou dois biopolímeros. No terceiro subcapítulo" Resultados e discussão" são apresentados
e discutidos os resultados obtidos antes e após a formulação dos filmes. Este subcapítulo
está dividido em 3 partes: na primeira são apresentados os resultados para PSL e PS, e na
segunda e terceira são apresentados os resultados para os filmes com PSL e PS,
respetivamente. É de salientar que o Q está presente nos dois sistemas, daí a não referencia
anteriormente.
O quarto capítulo "Aplicação de revestimento em cerejas" está focado com mais detalhes
nos revestimentos. Está dividido em três subcapítulos: No primeiro subcapítulo "
introdução" são apresentados o objetivo do capítulo e uma abordagem sobre as cerejas e
as principais técnicas de preparação de filmes, bem como a técnica de análise
microbiológica usado. Também é dado uma especial atenção aos revestimentos de frutos
relatados pela literatura. No segundo subcapítulo "Materiais e métodos " são apresentados
os procedimentos utilizados para a formulação dos diferentes revestimentos e as técnicas
de avaliação utilizadas para o estudo da evolução das caraterísticas das cerejas durante os
dias de testes. No terceiro subcapítulo" Resultados e discussão " são apresentados e
discutidos os resultados das alterações das caraterísticas das cerejas.
No final são apresentadas as conclusões gerais do trabalho, para os filmes e revestimentos,
e as respostas às questões inicialmente colocadas bem como sugestões de estudos por
realizar de forma a perceber melhor os sistemas de formulações de filmes usados.

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Capitulo 2

Filmes e revestimentos edíveis

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

2.1

Filmes e Revestimentos
2.1.1 História e definição

Nos anos 5000 a.C. a conservação de produtos com folhas e cascas de árvores era bastante
utilizada pelo homem para reduzir a perda de alimentos devido a detioração. Na China
nos seculos XII e XIII a utilização de ceras em várias frutas era comum para evitar a perda
de humidade e para criar uma superfície de fruta brilhante para fins estéticos (Embuscado
and Huber, 2009). Na Europa, o processo era conhecido como "larding" - armazenar
várias frutas em cera ou gorduras para o consumo mais tarde. Esta proteção impedia
perdas contínuas de água; no entanto, a camada espessa do filme intervinha na troca de
gases, alterando a qualidade e os aspetos sensoriais destes alimentos (Embuscado and
Huber, 2009). No século XV, uma película comestível, Yuba, feita a partir de leite de
soja, foi utilizada em Japão para a manutenção da qualidade dos alimentos e melhorar a
sua aparência (Wang, 1981). No século XIX, nos EUA, foi desenvolvida e patenteada
uma técnica de conservação de produtos derivados de carne, utilizando a proteína gelatina
(Skurtys et al., 2010b).
Os revestimentos edíveis podem ser considerados um caso particular dos filmes edíveis.
Contudo, os filmes edíveis são normalmente pré-formados e só depois aplicados ao
alimento enquanto os revestimentos edíveis são formados diretamente sobre a superfície
do alimento (Skurtys et al., 2010a). Sendo assim, os filmes edíveis são definidos como
uma camada fina e comestível formada sobre a superfície de um alimento como
revestimento ou colocada entre componentes do mesmo (Kester and Fennema, 1986). A
utilização destes filmes e revestimentos edíveis tem vindo a ganhar um forte interesse nos
últimos anos devido a biodegrabilidade e disponibilidade dos seus componentes. O
pressuposto da utilização destes filmes e revestimentos é a redução da dependência da
utilização dos materiais sintéticos não biodegradáveis para formulações de plásticos
devido aos sérios problemas ecológicos e crescente preocupação ambiental cada vez mais
evidenciada nos últimos tempos.

2.1.2 Funções e requisitos
A aplicação de filmes e revestimentos edíveis tem como função principal proteger os
alimentos do ambiente externo e se possível aumentar o tempo de prateleira desses
alimentos. Estes filmes quando aplicados em alimentos permitem (Tharanathan, 2003):


Reduzir a taxa de absorção de oxigénio (respiração lenta);
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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar



Constituir uma barreira seletiva para os gases (dióxido de carbono e vapor de
água);



Atenuar a migração de lípidos e aromas;



Melhorar as suas propriedades mecânicas;



Prevenir contra o desenvolvimento de microrganismos durante o armazenamento;

Para além das propriedades funcionais apresentadas, estes filmes podem ser usados para
incrementar novas propriedades aos alimentos, como por exemplo, por incorporação de
agentes antimicrobianos, antioxidantes, enzimas ou outros ingredientes funcionais,
melhorando as suas caraterísticas (Skurtys et al., 2010b).

2.1.3 Caraterização e avaliação das propriedades
Devido ao fato dos alimentos estarem sujeitos a condições ambientais adversas, durante
o transporte e o armazenamento, como por exemplo, a variação de humidade relativa,
temperatura e manuseio, a composição química das suas superfícies altera-se, ficando
muitas vezes os conteúdos internos expostos ao meio ambiente (Cha and Chinnan, 2004).
Deste modo, é usual fazerem-se estudos preliminares de propriedades dos filmes, para
adaptar a sua funcionalidade à aplicação pretendida: poderá ser exigido que o filme tenha
boas propriedades mecânicas, sirva como boa barreira aos gases, que tenha uma boa
espessura e solubilidade, dentre outros (Kester and Fennema, 1986). Os filmes, quando
aplicados em frutos, por exemplo, criarão uma atmosfera controlada ou modificada no
interior dos alimentos, que vai atrasar o amadurecimento, permitindo um aumento do seu
tempo de vida de prateleira (Skurtys et al., 2010b).

2.1.3.1

Propriedades de barreira

A difusão dos gases simples (por exemplo, O2, N2, CO2), por meio da pelicula formada à
superfície do alimento, geralmente obedece as leis de Fick e de Henry. Esta difusão é
influenciada pela solubilidade, difusidade e diâmetro cinético destes gases (Skurtys et al.,
2010b). A propriedade de barreira dos filmes é avaliada pela taxa de transmissão do vapor
de água (WVTR) e a permeabilidade destes ao vapor de água (WVP). A WVTR é definida
como quantidade de água que passa pela membrana, por unidade de tempo, nas condições
de humidade relativa e temperatura previamente definida. A WVP refere-se ao produto
do fluxo pela espessura, dividido pelo gradiente de pressão de vapor e a área do filme
(Chen, 1995).

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

A permeabilidade dos filmes depende de vários fatores, tais como: a integridade dos
filmes, das propriedades e características dos constituintes dos filmes e do tipo de
interação entre os biopolímeros. Deve-se ter cuidado na comparação dos valores de WPV
publicados, porque estas propriedades variam muito tanto com a formulação como com
as condições operatórias. Por exemplo, diferenças nos plastificantes utilizados ou
temperaturas e humidades relativas do teste conduzem a filmes com permeabilidades
muito distintas. Os filmes e os revestimentos constituídos por compostos hidrofílicos,
devido a afinidade com a água, apresentam permeabilidade ao vapor de águas superiores
aos filmes que apresentam lípidos, hidrofóbicos, na sua composição (Morillon et al.,
2002).

2.1.3.2

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas são determinadas através de teste de aplicação de tensão
uniaxial, em que os filmes são submetidos a uma deformação crescente, sendo os
parâmetros obtidos e registados ao longo do ensaio (Skurtys et al., 2010b). O
conhecimento da resistência mecânica é utilizado para diversos fins, nomeadamente para
proteger os alimentos durante o seu manuseamento e transporte (Chen, 1995).
A resistência mecânica dos filmes é estudada tendo em conta três parâmetros
determinados a partir da curva tensão vs. deformação: tensão de rutura, o módulo de
Young (Y) e alongamento na tensão máxima de rutura ou deformação na rutura (Skurtys
et al., 2010b). As propriedades mecânicas dos filmes variam muito com o tipo de
biopolímeros usado na sua formulação: por exemplo, polissacarídeos apresentam
resistência moderada a tração e baixo alongamento. Estas diferenças devem-se a
diferenças de estrutura da matriz polimérica: por exemplo, no caso dos polissacáridos é
geralmente linear (embora com ramificações) enquanto as proteínas apresentam uma
estrutura complexa devido às interações intramoleculares dos seus grupos aminas e
carboxílicos (Chen, 1995).
O aumento da concentração de plastificante provoca redução na tensão e o aumento do
alongamento dos filmes devido ao aumento do volume livre existente na matriz
polimérica, por redução de ligações de hidrogénio entre as cadeias poliméricas
(Myllärinen et al., 2002).

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

2.1.3.3

Solubilidade

A solubilidade em água de filmes edíveis é um indicador da resistência do revestimento
quando exposto a um meio contendo água. Dependendo da sua aplicação pode requerer
insolubilidade, para proteger a integridade do produto sendo resistente à água, ou
solubilidade no caso de encapsulação de alimento ou de aditivo (Fakhouri et al., 2007).
Uma maior solubilidade poderá indicar uma menor resistência do filme, ou seja, na
presença de água o filme poderá dissolver-se perdendo o seu efeito protetor à superfície
do alimento (Maizura et al., 2007). Em alguns casos, a solubilização total dos filmes em
água não inviabiliza a sua aplicação, pois existem produtos pré-cozidos que necessitam
de contato posterior com a água, onde a dissolução instantânea no meio é importante. A
solubilidade também é vantajosa em casos onde o filme é consumido junto como o
produto (Turhan and ahbaz, 2004). A adição de plastificantes, como glicerol, devido ao
grupo (-OH), aumentam os valores de solubilidade do filme (Skurtys et al., 2010b).

2.1.3.4

Propriedades óticas

A cor e a transparência (opacidade) dos alimentos são dois critérios utilizados pelos
consumidores na aceitação ou rejeição de produtos. As indústrias alimentares sentiram
por isso a necessidade de confecionarem produtos que satisfaçam estes requisitos
(Nielsen, 2010). As análises da cor e da opacidade dos filmes edíveis são essenciais de
forma a produzir filmes que não interferem diretamente nas caraterísticas sensoriais dos
produtos aplicados (Chen, 1995). Filmes transparentes são mais aceites mas, em alguns
casos a aplicação de filmes corados pode tornar-se interessante caso o objetivo seja a
proteção contra incidência da luz nos alimentos, prevenindo a sua deterioração (Fakhouri
et al., 2007). Um filme diz-se transparente quando a luz incidente o atravessa com o
mínimo de absorção ou reflexão. No caso de filmes opacos a luz incidente não atravessa
a espessura do filme, não sendo possível ver a superfície do alimento (Nielsen, 2010).

2.1.4 Técnicas e mecanismos de formulação
2.1.4.1

Interação entre proteínas-polissacarídeos

A mistura de soluções de proteína e polissacarídeo pode conduzir a uma de várias
situações de acordo com as interações polímero-polímero e solvente-polímero, atrativas
ou repulsivas, dependendo essencialmente da carga dos biopolímeros em solução
(McClements, 2006). A interação entre dois biopolímeros depende da contribuição
entrópica e da entalpia da mistura. Como tal, o conhecimento dos fenômenos de separação

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

e agregação das duas fases são de extrema importância para uma melhor compreensão
dos fenómenos que ocorrem na mistura (Doublier et al., 2000)
Na figura 1 são representadas várias situações que ocorrem quando são misturadas
soluções de proteínas e soluções de polissacarídeos (McClements, 2006).

Figura 1: Interação proteína- polissacarídeo (McClements, 2006).

As soluções de proteínas e polissacáridos quando misturadas, dependendo do pH da
mistura, podem ou não ter cargas iguais. Se as cargas forem contrárias ocorrem interações
eletrostáticas entre os biopolímeros, levando a formação de um complexo. O complexo
formado pode formar uma fase separada, precipitando ou formando um coacervato
(mecanismo de coacervação), ou ficar em solução quando a concentração de biopolímeros
é baixa (McClements, 2006). Se os biopolímeros tiverem cargas iguais há repulsão e o
sistema pode ser co-solúvel ou incompatível. O sistema é co-solúvel quando as
concentrações de biopolímeros estão abaixo do limiar para haver separação de fases,
ocorrendo a formação de uma única fase. O sistema é incompatível quando os
biopolímeros têm concentrações altas, havendo a formação de duas fases diferentes cada
uma enriquecida com um dos polímeros (Rocha et al., 2014).

2.1.4.2

Mecanismo de coacervação

Os filmes e os revestimentos comestíveis podem ser formados por diversos mecanismos,
dependendo dos componentes utilizados para a sua formulação, bem como o tipo de
interações existentes entre estes. A coacervação é um dos métodos utilizados e baseia-se
na separação de duas fases líquidas em sistemas coloidais (Somasundaran, 2006). A
coacervação pode ser simples ou complexa. A coacervação simples consiste na

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

precipitação de um único hidrocolóide disperso numa solução aquosa (Semenova and
Dickinson, 2013). Esta precipitação pode ser obtida pela adição de um eletrólito, como o
sulfato de sódio, em que o aumento da sua concentração leva à diminuição da solubilidade
das cadeias poliméricas, levando à formação de agregados que precipitam com o passar
do tempo. A coacervação complexa consiste na separação espontânea de fases em
solução, e ocorre através de interações eletrostáticas entre dois polímeros com cargas
elétricas opostas, levando a formação e precipitação de polímeros complexos com cargas
neutras (McClements, 2006). A formação de coacervatos é influenciado por vários
fatores, tais como: a estequiometria, o pH, a força iónica, a temperatura, tempo de
agitação e pressão. Na figura 2 encontra-se representado o esquema, adaptado, deste
mecanismo (Semenova and Dickinson, 2013).

Figura 2: Representação esquemática do mecanismo da coacervação (Semenova and Dickinson, 2013).

O mecanismo de gelificação é também bastante utilizado na formulação de filmes e
revestimentos

comestíveis.

Este

mecanismo

consiste

no

aquecimento

das

macromoléculas que envolvem desnaturação, formação de gel e precipitação ou
resfriamento de uma dispersão de hidrocolóides (Fakhouri et al., 2007).

2.1.4.3

Efeitos sinérgicos entre biopolímeros

A combinação dos biopolímeros pode ter como vantagem a agregação dos pontos
positivos de cada um dos biopolímeros utilizados, como forma de proporcionar melhores
características aos novos filmes produzidos (Li et al., 2006). Por exemplo, os
polissacáridos e proteínas são biopolímeros hidrofílicos, sendo por isso excelentes
barreiras ao oxigénio e aromas. Já os lípidos são hidrofóbicos e por isso dão origem a
filmes com melhores propriedades de barreira à humidade do que os polissacáridos e
proteínas (Sapru and Labuza, 1994a). A combinação destes biopolímeros possibilita a
formação de novos filmes com propriedades singulares, designados de filmes compósitos

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

(Kester and Fennema, 1986). Nos filmes e revestimentos compósitos, os biopolímeros
existentes em menores quantidades ficam normalmente retidos na matriz polimérica,
havendo interações intramoleculares cruzadas entre cadeias de biopolímeros para formar
uma matriz tridimensional rígida. Como tal, espera-se que as propriedades dos filmes
sejam reforçadas. As principais interações que ocorrem entre os biopolímeros dos
compósitos são (McClements, 2006):
Interações eletrostáticas: esta interação é importante em biopolímeros que
apresentam carga elétrica nas condições em que são utilizados (pH e força iónica). As
interações podem ser de atração ou repulsão dependendo da carga dos biopolímeros;
Interações hidrofóbicas: esta interação ocorre normalmente em soluções
aquosas, por associação de biopolímeros que contêm grupos não polares;
Ligação por pontes de hidrogénio: esta interação é importante quando os
biopolímeros possuem cadeias com segmentos onde ocorre ligações de hidrogénio.
Existem diversos estudos publicados acerca da mistura dos biopolímeros com efeitos
sinérgicos tendo em vista esta melhoria das propriedades dos filmes. Normalmente a
incorporação de lípidos melhoram as propriedades de barreira de água, os polissacáridos
melhoram as propriedades mecânicas quando incorporados nos filmes com proteínas. Por
exemplo, a combinação de metilcelulose e ácidos gordos melhorou a barreira ao vapor de
água dos filmes de celulose (Kamper and Fennema, 1984). No referido trabalho, fez-se o
estudo da propriedade de barreira ao vapor de água para diferentes concentrações de
ácidos gordos, temperatura e humidade.
Outros trabalhos referem a mistura de lípidos e hidroxipropil-metilcelulose (Hagenmaier
and Shaw, 1990), metilcelulose e lípidos (Greener and Fennema, 1989), metilcelulose e
ácidos gordos (Sapru and Labuza, 1994b), zeína de milho, metilcelulose e ácido gordo
(Park et al., 1994), proteínas do soro de leite e lípidos (McHugh et al., 1994), caseína e
lípidos (Avena-Bustillos and Krochta, 1993), gelatina e amido solúvel (Arvanitoyannis et
al., 1998), hidroxipropilamido e gelatina (Arvanitoyannis et al., 1997), zeína de milho e
amido (Ryu et al., 2002), gelatina e ácidos gordos (Bertan et al., 2005), proteínas do soro
de leite e gelatina (Cao et al., 2007) e quitosano e ácido polilático (Suyatma et al., 2004)
.

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Capítulo 3

Formulações e caracterização de filmes comestíveis

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

3.1

Introdução

A formulação e consequente caraterização das propriedades dos filmes edíveis permitem
identificar os seus potenciais de aplicação em alimentos. O objetivo deste capítulo foi
formular e estudar a viabilidade de aplicação de filmes constituídos por dois
componentes, e averiguar se, no caso dos filmes com um só componente, as suas
propriedades gerais são melhoradas após a mistura.

3.1.1 Componentes dos filmes formulados
Neste trabalho experimental fez-se a formulação de filmes utilizando 3 biopolímeros:
proteína de soro do leite (PSL), proteína de soja (PS) e quitosano (Q). A escolha das
referidas proteínas deveu-se à sua disponibilidade em abundância como subprodutos de
algumas indústrias alimentares e agrícolas; o seu aproveitamento permite reduzir a
quantidade destes resíduos no meio ambiente. A seguir serão apresentadas as
caraterísticas e propriedades funcionais de cada biopolímero em particular.

3.1.1.1

Quitosano

A escolha do quitosano deveu-se à sua abundancia na natureza, uma vez que este provém
da quitina, segundo biopolímero mais abundante na terra depois da celulose (Elsabee and
Abdou, 2013). O quitosano destaca-se também por apresentar carga global positiva em
pH biológico, enquanto a maioria dos polissacarídeos encontram-se negativamente
carregados nas mesmas condições, e por possuir propriedades antimicrobianas (Skurtys
et al., 2010b).
O quitosano é um polissacarídeo catiónico produzido através da desacetilação da quitina,
um polissacarídeo encontrado no exosqueleto de crustáceos, através de um processo de
hidrólise dos grupos acetil-amino em meio alcalino forte e à temperatura elevada (Shahidi
et al., 1999). O processo de desacetilação em meio ácido não é aconselhado, uma vez que
as ligações glicosídeas são suscetíveis à hidrólise ácida (Elsabee and Abdou, 2013).
Estruturalmente é composto por unidades de glucosamina, 2-Amino-2-desoxi-D-glucose,
unidas às unidades de acetilglucosamina, N-Acetyl-D-Glucosamine, por ligacões
glicosidicas do tipo (14).
Na figura 3 é apresentada uma possível configuração química de quitosano que depende
do grau de desacetilação (Peniche-Covas et al., 1993).

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Efeitos sinérgicos entre biopolímeros: aplicação a filmes e revestimentos edíveis para embalagem alimentar

Figura 3: Estrutura química do quitosano (Peniche-Covas et al., 1993).

O quitosano apresenta características e propriedades físico-químicas e biológicas únicas,
que incluem (Shahidi et al., 1999), tabela 1:
Tabela 1: Principais propriedades e caraterísticas de quitosano
Propriedades físico-químicas

Propriedades biológicas

Solubilidade em água e em meio ácido

Biocompatibilidade
Polímero natural

Massa molecular elevada

Biodegradável

Estabilidade a pH