Propriedades ópticas de filmes inteligentes à base de amido, antocianinas e carbon dots para aplicação em alimentos como indicadores de frescor

Abstract

As embalagens inteligentes assumem um papel fundamental no monitoramento da qualidade e segurança dos alimentos durante toda a cadeia produtiva. Um dos tipos de embalagens inteligentes mais estudadas são as indicadoras de frescor, que possuem dispositivos, geralmente adesivos, produzidos a partir de biopolímeros e pigmentos naturais como as antocianinas. As antocianinas são pigmentos extraídos de vegetais, cuja cor varia do vermelho, roxo ao azul, e que mudam de cor conforme o pH do meio. Assim, filmes compósitos de biopolímeros e antocianinas são sensíveis à variação do pH do alimento, ocasionada pelo crescimento microbiano, e exibem como resposta a essa variação de pH a mudança de sua cor. No entanto, um dos principais desafios da aplicação desses materiais é a detecção precisa de alterações no frescor de alimentos como o camarão, que sofre variações sutis no pH, reduzindo contraste de variação de cor do filme e dificultando a percepção do consumidor. Para superar essa limitação, a inserção de carbon dots (CDs), nanopartículas de 1 – 10 nm com núcleo de carbono, a esses biocompósitos inteligentes se apresenta como uma solução promissora para aumentar o contraste de variação de cor desses filmes, devido à capacidade de absorção e emissão de luz dos CDs em comprimentos de onda dos espectros ultravioleta (UV, λ = 200 - 400 nm) e visível (λ = 400 - 700 nm). Assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar as propriedades ópticas de filmes inteligentes à base de amido de batata (biopolímero) e antocianinas, utilizando CDs para amplificar a variação de cor e a tonalidade desses filmes em resposta à mudança de pH do meio. Filmes foram produzidos por método casting, utilizando uma dispersão de amido de batata (3% m/m) como matriz, 8,55% m/m de extrato de antocianinas de uva (0,004 mgantocianinas/gextrato) e duas concentrações de carbon dots (1% e 2% m/m em relação ao polímero). Os filmes foram caracterizados quanto à espessura, absorção de luz, opacidade, variação de cor em resposta ao pH considerando a faixa de variação de pH do camarão (pH 6,5 para ideal a pH 7,85 para estragado) como modelo, estabilidade colorimétrica sob luz UV (λ = 365 nm) e ângulo de contato. Os principais resultados demonstraram que os filmes contendo 1% m/m CDs apresentaram acentuada variação de cor (ΔE*) e mudança de tonalidade entre pH 6,5 – 7,5, comparados aos filmes com apenas antocianinas, que apresentaram uma estagnação do ΔE* entre o pH 7,0 e pH 7,5 e uma menor inclinação da curva de tonalidade ao longo de toda a faixa de pH avaliada (pH 6 – 8). Os filmes contendo 2% m/m de CDs apresentaram maior instabilidade à luz UV ao longo de 14 dias (25°C, UR = 58%) caracterizada pelo aumento acentuado da ΔE*, possivelmente devido à aglomeração de CDs na matriz. Os CDs aumentaram significativamente a capacidade dos filmes com antocianinas em detectar variações de pH, tornando-os promissores para aplicações em embalagens inteligentes para camarão mais eficientes e precisas, contribuindo para a redução de perdas de pescados e melhoria da segurança alimentar.

Smart packaging plays a fundamental role in monitoring food quality and safety throughout the production chain. One of the most studied types of smart packaging is freshness indicators, which have devices, usually adhesives, produced from biopolymers and natural pigments such as anthocyanins. Anthocyanins are pigments extracted from vegetables, whose color varies from red, purple to blue, and which change color depending on the pH of the medium. Thus, composite films of biopolymers and anthocyanins are sensitive to variations in the pH of the food, caused by microbial growth, and exhibit a change in color in response to this variation in pH. However, one of the main challenges in applying these materials is the accurate detection of changes in the freshness of foods such as shrimp, which undergo subtle variations in pH, reducing the contrast of the film's color variation and making consumer perception difficult. To overcome this limitation, the insertion of carbon dots (CDs), 1 – 10 nm nanoparticles with a carbon core, into these smart biocomposites presents itself as a promising solution to increase the color variation contrast of these films, due to the ability to absorption and emission of light from CDs at wavelengths of the ultraviolet (UV, λ = 200 - 400 nm) and visible (λ = 400 - 700 nm) spectrum. Thus, this work aimed to develop and characterize the optical properties of smart films based on potato starch (biopolymer) and anthocyanins, using CDs to amplify the color variation and tone of these films in response to changes in the pH of the medium. Films were produced by casting method, using a dispersion of potato starch (3% m/m) as matrix, 8.55% m/m of grape anthocyanin extract (0.004 mgantocyanins/gextrate) and two concentrations of carbon dots ( 1% and 2% m/m in relation to the polymer). The films were characterized in terms of thickness, light absorption, opacity, color variation in response to pH, considering the range of shrimp pH variation (pH 6.5 for ideal to pH 7.85 for spoiled) as a model, colorimetric stability under UV light (λ = 365 nm) and contact angle. The main results demonstrated that films containing 1% m/m CDs showed a marked variation in color (ΔE*) and a change in tone between pH 6.5 – 7.5, compared to films with only anthocyanins, which showed a stagnation of ΔE * between pH 7.0 and pH 7.5 and a lower slope of the tone curve throughout the entire pH range evaluated (pH 6 – 8). The films containing 2% m/m of CDs showed greater instability to UV light over 14 days (25°C, RH = 58%) characterized by a marked increase in ΔE*, possibly due to the agglomeration of CDs in the matrix. CDs significantly increased the ability of anthocyanin films to detect pH variations, making them promising for applications in more efficient and precise smart packaging for shrimp, contributing to reducing fish losses and improving food safety.