Impregnação supercrítica de piperina e extrato de pimenta-do-reino em filmes de plla para embalagens ativas de alimentos

Abstract

A impregnação supercrítica de agentes ativos em biopolímeros tem-se mostrado promissora no desenvolvimento de embalagens ativas para alimentos. Nestas embalagens, a liberação dos compostos ativos pode provocar mudanças na embalagem para aumentar a vida útil e melhorar as propriedades sensoriais e de segurança. A tecnologia supercrítica apresenta vantagens em relação aos métodos de impregnação convencionais, como a utilização de solventes inertes, atóxicos, de fácil remoção e ambientalmente aceitáveis. Dentre os biopolímeros empregados em embalagens, o PLLA é considerado o mais promissor para substituir os polímeros à base de petróleo. Agentes ativos naturais têm sido estudados para incorporação em embalagens de alimentos por apresentarem capacidade antioxidante e antimicrobiana. O extrato da pimenta-do-reino apresenta compostos bioativos com propriedades importantes, dentre eles a piperina, que é o principal componente. Desta forma, a técnica de impregnação supercrítica foi utilizada para incorporar piperina e extrato de pimenta-do-reino em filmes de PLLA com objetivo de desenvolver embalagens ativas para alimentos. Os testes preliminares foram realizados em uma célula de alta pressão com parâmetros operacionais de temperatura (40 e 50 °C), pressão (10 e 12 MPa) e parâmetros fixos de taxa de despressurização de 1 MPa min-1 e tempo de 3 h. Foram testados filmes de PLLA de diferentes espessuras (100, 150 e 200 µm). Utilizou-se etanol como cossolvente (5 e 10%), devido à baixa solubilidade dos compostos ativos em dióxido de carbono supercrítico nas condições operacionais estudadas. As melhores condições de operação foram de 10 MPa, 50 °C, 1 MPa min-1, 3 h (28,5 mg g-1), ou seja, nestas condições ocorreu a maior carga de impregnação do composto ativo. Nos tratamentos sem adição de cossolvente, a carga máxima de impregnação foi de 53 mg g-1 para o extrato de pimenta-do reino. Com a adição de 5% de cossolvente a carga máxima de impregnação foi semelhante entre a piperina (56 mg g-1) e o extrato (52 mg g-1). As análises de calorimetria diferencial de varredura (DSC) e a difração de raio x (DRX) indicaram que a incorporação dos agentes ativos com scCO2 aumentou a cristalinidade dos filmes, sendo maiores com a adição do cossolvente. Todos os filmes tratados apresentaram maior elongação na ruptura e se tornaram mais flexíveis, o que foi comprovado pela redução no módulo de Young. A adição de cossolvente reduziu a resistência a ruptura dos filmes impregnados. A análise de intumescimento indicou que todos os filmes são insolúveis em água. A espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) revelou a presença de bandas características dos compostos ativos nos filmes impregnados. A capacidade antioxidante determinada pelo método DPPH foi maior para os filmes impregnados com extrato comparados aos filmes com piperina pura, sendo de aproximadamente 84%. No meio simulante 95% etanol a liberação de piperina foi maior para os filmes impregnados com extrato e 5% de cossolvente (86%) devido à maior afinidade da piperina no meio e a interação do etanol com o PLLA, o que melhorou a difusão. Os resultados obtidos neste estudo demonstram o potencial do PLLA e do extrato de pimenta-do-reino como estratégia sustentável e ecologicamente correta para a elaboração de embalagens ativas de alimentos.

Abstract:The supercritical impregnation of active agents in biopolymers has shown promise in the development of active packaging for food. In these packages, the release of active compounds can cause changes in the packaging to increase shelf life and improve sensory and safety properties. Supercritical technology has advantages over conventional impregnation methods, such as the use of inert, non-toxic, easily removed and environmentally acceptable solvents. Among the biopolymers used in packaging, PLLA is considered the most promising to replace petroleum-based polymers. Natural active agents have been studied for incorporation into food packaging due to their antioxidant capacity and antimicrobial activity. Black pepper extract contains bioactive compounds with important properties, including piperine, which is the main component. In this way, the supercritical impregnation technique was used to incorporate piperine and black pepper extract into PLLA films with the aim of developing active packaging for food. Preliminary tests were carried out in a high pressure cell with operating parameters of temperature (40 and 50 °C), pressure (10 and 12 MPa) and fixed parameters of depressurization rate of 1 MPa min-1 and time of 3 h. PLLA films of different thicknesses (100, 150 and 200 µm) were tested. Ethanol was used as a cosolvent (5 and 10%), due to the low solubility of the active compounds in scCO2 (supercritical carbon dioxide) under the operational conditions studied. The best operating conditions were 10 MPa, 50 °C, 1 MPa min-1, 3 h (28,5 mg g-1), that is, under these conditions the highest impregnation load of the active compound occurred. In treatments without the addition of cosolvent, the maximum impregnation load was 53 mg g-1 for black pepper extract. With the addition of 5% cosolvent, the maximum impregnation load was similar between piperine (56 mg g-1) and the extract (52 mg g-1). The analyzes of differential scanning calorimetry (DSC) and x-ray diffraction (XRD) indicated that the incorporation of active agents with scCO2 increased the crystallinity of the films, which were greater with the addition of the cosolvent. All treated films showed greater elongation at break and became more flexible, which was proven by the reduction in Young's modulus. The addition of cosolvent reduced the breaking strength of the impregnated films. Swelling analysis indicated that all films are insoluble in water. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) revealed the presence of bands characteristic of active compounds in the impregnated films. The antioxidant capacity determined by the DPPH method was higher for films impregnated with extract compared to films with pure piperine, being approximately 84%. In the 95% ethanol simulant medium, the piperine release rate was higher for films impregnated with extract and 5% cosolvent (86%), due to the greater affinity of piperine in the medium and the interaction of ethanol with PLLA, which improved diffusion. The results obtained in this study demonstrate the potential of PLLA and black pepper extract as a sustainable and environmentally friendly strategy for the development of active food packaging.