Hidrogéis biopoliméricos obtidos por extrusão reativa para aplicação agrícola

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dc.contributor.advisorOliveira, Suzana Mali de
dc.contributor.authorMarim, Beatriz Marjorie
dc.contributor.bancaOliveira, André Luiz Martinez de
dc.contributor.bancaDebiagi, Flavia
dc.contributor.bancaCarvalho, Fabíola Azanha de
dc.contributor.bancaCarvalho, Gizilene Maria de
dc.coverage.extent112 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-04-17T11:51:40Z
dc.date.available2024-04-17T11:51:40Z
dc.date.issued2022-02-23
dc.description.abstractHidrogéis são classificados como estruturas tridimensionais constituídas por polímeros reticulados que têm a capacidade de absorver e liberar, controladamente, grandes quantidades de água, nutrientes e substâncias iônicas, sem se dissolver. O presente trabalho teve como objetivo desenvolver hidrogéis à base de misturas biopoliméricas de amido de mandioca, celulose e gelatina para aplicações agrícolas como agentes de retenção de água. Inicialmente, o amido de mandioca foi modificado quimicamente via extrusão reativa utilizando-se o ácido cítrico (CA) e o ácido tartárico (TA) como agentes reticulantes. A celulose extraída da casca de aveia foi modificada via extrusão reativa, trimetafosfato de sódio (STMP) e ácido tartárico (TA) foram empregados como agentes reticulantes. Foram produzidos hidrogéis a partir das misturas de amido modificado, celulose modificada e gelatina. O processo de extrusão reativa foi eficaz na modificação química do amido e da celulose. Os resultados confirmaram a modificação química das cadeias poliméricas através do aparecimento de uma nova banda nos espectros de FTIR em 1730 cm-1 associada aos grupos carbonila das ligações ésteres formados para os amidos modificados com CA e TA em diferentes concentrações (2,5 a 20 g ácido/100 g amido). Foram obtidos amidos modificados com graus de substituição entre 0,023 a 0,365. A difração de raios-X indicou que a extrusão reativa resultou no desaparecimento de picos de difração do amido nativo, as amostras do amido reticulado apresentaram índices de cristalinidade variando de 8 a 11%. A análise morfológica mostrou que a estrutura granular do amido original foi perdida e substituída por uma estrutura mais áspera e irregular. A capacidade de retenção de água e a solubilidade dos amidos modificados obtidos por extrusão reativa foram superiores às do amido nativo e da amostra de controle (extrusadas sem os agentes de reticulação). No caso da celulose, o processo de extrusão reativa para reticulação com TA e STMP também foi eficaz, e os resultados confirmaram a modificação das cadeias poliméricas através do aparecimento de uma nova banda em 1735 cm-1, associada aos grupos carbonila das ligações ésteres que foram formadas nas amostras modificadas com TA. A modificação da celulose por extrusão reativa não alterou a morfologia e a cristalinidade das amostras. Os índices de cristalinidade (IC) variam de 42 a 33%, e as amostras modificadas apresentaram maior afinidade por solventes não polares em testes de molhabilidade, também confirmando a reticulação com TA e STMP. Quando foram produzidos pellets de hidrogel com a mistura de celulose, amido e gelatina, foi obtido um material poroso, com capacidade de retenção de água em diferentes pHs acima de 530%. Este estudo mostrou que a extrusão reativa foi eficiente tanto para a modificação do amido e da celulose, quanto na produção de hidrogéis no formato de pellets para serem empregados na agricultura como retentores de água, com as vantagens de simplicidade, baixa geração de efluentes, tempos de reação curtos e fácil adaptação para escala industrial.
dc.description.abstractother1Hydrogels are classified as three-dimensional structures made of crosslinked polymers that are able to absorb and release, in a controlled, large amount of water, nutrients, and ionic substances, without dissolving. The present work aimed to develop hydrogel formulations based on biopolymeric mixtures of cassava starch, cellulose, and gelatin for agricultural applications as water retention agents. Initially, cassava starch was chemically modified via reactive extrusion using citric acid (CA) and tartaric acid (TA) as crosslinking agents. Cellulose extracted from oat hulls was modified via reactive extrusion, and sodium trimetaphosphate (STMP) and tartaric acid (TA) were used as crosslinking agents. Hydrogels were produced from mixtures of modified starch, modified cellulose and gelatin. The reactive extrusion process was effective in crosslinking starch and cellulose. Results confirmed that the chemical modification of polymer chains through the appearance of a new band in FTIR spectra at 1730 cm-1 associated with the carbonyl groups of the ester bonds formed for starches modified with CA and TA at different concentrations (2.5 to 20 g acid/100 g starch). Modified starches with degrees of substitution between 0.023 and 0.365 were obtained. The X-ray diffraction indicated that the reactive extrusion resulted in the disappearance of diffraction peaks of the native starch, the samples of the crosslinked starch had crystallinity indexes varying from 8 to 11%. Morphological analysis showed that the granular structure of the original starch was lost and replaced by a rougher and more irregular structure. The water holding capacity and solubility of modified starches obtained by reactive extrusion were superior to that of native starch and control sample (extruded without crosslinking agents). In the case of modified cellulose, the reactive extrusion process for crosslinking with TA and STMP was also effective, and the results confirmed the crosslinking of polymer chains through the appearance of a new band at 1735 cm-1, associated with the carbonyl groups of the ester bonds that were formed. The modification of cellulose by reactive extrusion did not change the morphology and crystallinity of the samples. Crystallinity indices (CI) ranged from 42 to 33%, and modified samples showed greater affinity for non-polar solvents in wettability tests, also confirming crosslinking with TA and STMP. When hydrogel pellets were produced with a mixture of cellulose, starch, and gelatin, a porous material was obtained, with water retention capacity at different pHs. This study showed that reactive extrusion was efficient both for the modification of starch and cellulose, and also in the production of hydrogels in the form of pellets to be used in agriculture as water retainers, with the advantages of simplicity, low effluent generation, low reaction times and easy adaptation to industrial scale.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/827
dc.languagepor
dc.relation.departamentCentro de Ciências Exatas
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Biotecnologia
dc.subjectBiotecnologia
dc.subjectHidrogéis biopoliméricos
dc.subjectExtrusão reativa
dc.subjectÁcidos orgânicos
dc.subject.capesCiências Biológicas - Biologia Geral
dc.titleHidrogéis biopoliméricos obtidos por extrusão reativa para aplicação agrícola
dc.title.alternativeBiopolymeric hydrogels obtained by reactive extrusion for agricultural application
dc.typeTese

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