Aerogéis à base de amido: síntese, caracterização e potenciais aplicações

Abstract

Aerogéis à base de amido constituem uma nova classe de biomateriais com grande potencial para aplicação avançadas em diversas áreas. Eles são normalmente produzidos em três etapas: (i) gelatinização térmica do amido em meio aquoso e retrogradação (formação do hidrogel); (ii) troca do solvente aquoso por outro alcoólico (formação do alcogel); (iii) secagem supercrítica com dióxido de carbono (CO2) (formação do aerogel). Na primeira parte desta tese de doutorado foi investigada a síntese de aerogéis à base de amido de milho (70% de amilose) em função da adição de outros biopolímeros como ágar ou celulose microcristalina (MCC) e da temperatura de gelatinização, como estratégia para aprimorar as propriedades mecânicas e de textura destes materiais. O ágar e a MCC foram escolhidos por sua boa compatibilidade com o amido, simplicidade no método de gelificação e reconhecida capacidade de formar estruturas compostas com boa estabilidade mecânica. Os resultados demonstraram melhoria nas propriedades mecânicas e de textura quando o amido de milho é misturado com os outros biopolímeros e na maior temperatura de gelatinização empregada (110ºC). A adição de MCC à matriz de amido promoveu as maiores áreas superficiais (de até 524 m2.g-1), enquanto que a adição de ágar melhorou a estabilidade dos aerogéis em meio aquoso. As imagens de microscopia e análise de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) confirmaram boa dispersão e compatibilidade entre a matriz de amido e os biopolímeros. Na segunda parte da tese foi investigada uma rota não convencional para a formação do gel de amido, nomeadamente a gelificação induzida por solventes. Para isto, o amido foi solubilizado em dimetil sulfóxido (DMSO) e a mistura, posteriormente, adicionada dos seguintes solventes: água, glicerol, propileno glicol, sulfolano e 2-dimetil etanolamina. A formação dos géis foi avaliada em função da concentração do amido e da razão mássica de solvente:DMSO. Com base nos parâmetros de solubilidade de Hansen e nas medidas reológicas foi demonstrado que as ligações de hidrogênio e a concentração de amido desempenham um papel crucial na formação do gel. Os aerogéis obtidos a partir dos novos géis apresentaram altas áreas superficiais e uma rede fibrilar bem conectada, indicando que o DMSO promoveu eficientemente a ruptura dos grânulos de amido. Também foi demonstrado que as condições de gelificação e a troca do solvente apresentaram grande influência sobre as propriedades de textura do aerogéis.

Abstract: Starch-based aerogels constitute a new class of biomaterials with great potential for advanced applications in several areas. They are normally produced in three stages: (i) thermal gelatinization of starch in aqueous medium and retrogradation (hydrogel formation); (ii) exchange of the aqueous solvent for an alcoholic solvent (alcogel formation); (iii) supercritical drying with carbon dioxide (CO2) (aerogel formation). In the first part of this doctoral thesis, the synthesis of aerogels based on corn starch (70% amylose) was investigated as a strategy to improve the mechanical and textural properties of these materials. Addition of other biopolymers such as agar or microcrystalline cellulose (MCC) and the gelatinization temperature were evaluated. Agar and MCC were chosen for their good compatibility with starch, simplicity in the gelation method and recognized ability to form composite structures with good mechanical stability. The results showed an improvement in the mechanical and textural properties when the corn starch is mixed with the other biopolymers and at the highest gelatinization temperature employed (110ºC). The addition of MCC to the starch matrix promoted the largest surface areas (up to 524 m2.g-1), while the addition of agar improved the stability of aerogels in aqueous medium. Microscopy images and Fourier transform infrared (FTIR) analysis confirmed good dispersion and compatibility between the starch matrix and the biopolymers. In the second part of the thesis, an unconventional route for the formation of starch gel was investigated, namely gelation induced by solvents. For this, the starch was solubilized in dimethyl sulfoxide (DMSO) and later the mixture was added of the following solvents: water, glycerol, propylene glycol, sulfolane and 2-dimethyl ethanolamine. The formation of the gels was evaluated according to the starch concentration and the solvent:DMSO mass ratio. Based on Hansen's solubility parameters and rheological measurements, it was shown that hydrogen bonds and starch concentration play a crucial role in gel formation. The aerogels obtained from the new gels had high surface areas and a well-connected fibrillar network, indicating that the DMSO efficiently promoted disruption of the starch granules. It was also demonstrated that gelation conditions and solvent exchange had a great influence on the aerogel textural properties.