Tratamento com plasma frio em PELBD para desenvolvimento de filmes antibacterianos contendo nanopartículas de ZnO, amido e quitosana

Abstract

As embalagens ativas produzidas com agentes antimicrobianos incorporados à matriz polimérica são capazes de aumentar a vida útil dos alimentos com a inibição ou eliminação de micro-organismos. Neste sentido, as propriedades antimicrobianas das nanopartículas de ZnO (NPs-ZnO) já são conhecidas e por isso tem se estudado a incorporação destas nanopartículas em diferentes polímeros. O objetivo deste trabalho foi desenvolver filmes ativos antibacterianos com nanopartículas de ZnO (NPs-ZnO) incorporadas em polietileno linear de baixa densidade (PELBD) através de duas diferentes técnicas: aspersão das NPs-ZnO em PELBD parcialmente fundido e pela aplicação do plasma frio de ar atmosférico em PELBD para aderir um biopolímero (amido ou quitosana) contendo essas nanopartículas. Para os filmes obtidos por aspersão, as NPs-ZnO foram adicionadas nas concentrações de 0,9 e 1,5 mg/cm2 e para os filmes multicamadas, nas concentrações de 0,2 e 0,5 mg/cm2. Os filmes de PELBD foram tratados por 120 s de plasma frio utilizando ar atmosférico em um reator de descarga com barreira dielétrica (DBD) nas condições de 32 kV, 132 Hz à pressão atmosférica, o que tornou o filme mais hidrofílico e aumentou a energia livre superficial, viabilizando a adesão da camada biodegradável. As propriedades mecânicas não foram alteradas na presença das NPs e das camadas com os biopolímeros. A propriedade física de molhabilidade dos filmes de PELBD puro e com a incorporação das NPs-ZnO por aspersão não apresentou alteração. Enquanto, os filmes com a sobrecamada de amido resultaram nas superfícies mais hidrofílicas. Porém, a adição das NPs-ZnO diminuiu a hidrofilicidade tanto para os filmes com amido e com quitosana. No aspecto de cor, os filmes de quitosana se apresentaram mais amarelados e homogêneos, não sendo possível se perceber a presença das NPs. Entretanto, para os filmes de PELBD com as NPs aspersas apresentaram visíveis aglomerados do ZnO, e os filmes de amido se mostraram transparentes e, com a adição das NPs, mantiveram-se homogêneos, mas adquiriram coloração branca. A ação antimicrobiana dos filmes foi avaliada frente às bactérias patogênicas, Gram-positiva Staphyloccocus aureus e Gram-negativa Salmonella Enteritidis, e a bactéria deteriorante Gram-positiva Lactobacillus sakei de cordo com a norma JIS Z 2801:2000. Entre os filmes com a adição das NPs-ZnO, para a bactéria L. sakei, apenas os filmes de PELBD com aspersão de 0,9 mg/cm2 NPs-ZnO não se mostraram como superfície antibacteriana efetiva, para as outras duas bactérias, todos os filmes se mostraram antibacterianos efetivos. Os filmes multicamadas de quitosana contendo as NPs foram os mais efetivos, capazes de inativar totalmente as bactérias L. sakei e S. Enteritidis em 24 horas e a bactéria S. aureus em apenas 12 horas, na maior concentração de NPS (0,5 mg/cm2). Esse efeito superior ocorreu devido as propriedades antimicrobianas da quitosana frente as três bactérias. Percebe-se que a adição de NPs-ZnO em polímeros é capaz de originar superfícies antimicrobianas e por isso têm potencial para serem utilizados como embalagens ativas antimicrobianas para alimentos.

Abstract: Active packaging with antimicrobial agents incorporated into its polymer matrix is an emerging technology that is capable of increasing the shelf life of food by inhibiting or eliminating microorganisms. The antimicrobial properties of ZnO nanoparticles (NPs-ZnO) are well-known, which is why the incorporation of these nanoparticles in different polymers has been a frequent research topic over the last few years. The objective of this work was to develop antibacterial films using a linear low-density polyethylene (LLDPE) base and ZnO nanoparticles (NPs-ZnO). The different films were obtained either by spraying 0.9 or 1.5 mg/cm² of NPs-ZnO on partially melted LLDPE, or by a surface treatment of LLDPE with subsequent casting of a biopolymer layer (starch or chitosan) containing 0.2 or 0.5 mg/cm² of NPs-ZnO. The film surface was treated with cold plasma using atmospheric air in a dielectric barrier discharge (DBD) reactor at 32 kV, 132 Hz and atmospheric pressure for 120 s, resulting in films with higher hydrophilicity and higher surface free energy, thus enabling the adhesion of the biodegradable layer. The different films obtained presented no significant differences in mechanical properties. The hydrophobicity of the LLDPE films remained unaltered by the incorporation of NPs-ZnO by spraying, whereas in the multilayer films the addition of NPs-ZnO resulted in decreased hydrophilicity. The presence of the NPs-ZnO in the multilayer films with chitosan was unnoticeable, and the films remained transparent; in contrast, the multilayer films with starch presented a whiter coloration once NPs-ZnO were added. The films obtained by spraying presented a heterogeneous surface, with visible NPsZnO agglomerates. The antimicrobial action of the films was tested against two pathogenic bacteria, the Gram-positive Staphyloccocus aureus and the Gram-negative Salmonella Enteritidis, and one spoilage bacteria, the Gram-positive Lactobacillus sakei, using the norm JIS Z 2801:2000. Among the films with NPs-ZnO, the LLDPE films sprinkled with 0.9 mg/cm² NPs-ZnO were the only samples that presented no efficacy as an antibacterial surface towards L. sakei. When tested against the two pathogenic bacteria, all films produced were effective. The multilayer films with chitosan and NPs-ZnO were the most effective against the bacteria; at the highest concentration of NPs (0.5 mg/cm²), the films allowed to completely inactivate L. sakei and S. Enteritidis bacteria in 24 h, while the inactivation of S. aureus was accomplished in only 12 h. The higher antibacterial effect observed for chitosan-containing films is due to the significant antibacterial activity of chitosan against the three bacteria tested. The addition of NPs-ZnO in polymers is capable of producing antimicrobial surfaces and therefore has the potential to be used as antimicrobial active food packaging.