Obtenção e aplicação de nanofibras de resíduo industrial de kombucha em filmes biodegradáveis

Abstract

A kombucha é uma bebida fermentada que teve seu consumo aumentado nos últimos anos. Ao longo do processo fermentativo da kombucha, uma película de celulose bacteriana chamada SCOBY (Symbiotic Culture of Bacteria and Yeast) é formada e descartada com o tempo, sendo considerada um resíduo no processo industrial. A produção de celulose bacteriana (CB) pelo processo fermentativo é limitada devido ao seu alto custo e baixa produtividade. Com isso, fontes alternativas de baixo custo deste biopolímero como o uso do resíduo da kombucha são interessantes para caracterização e avaliação de sua aplicabilidade. Neste trabalho foi avaliado o efeito do uso de homogeneizador de alta pressão (HAP) a 600 bar no resíduo industrial de kombucha para produção de nanofibras, bem como a caracterização deste resíduo. Foram testados 10, 20 e 30 números de passagens no HAP para diminuir a dimensão das fibras de celulose em escala nanométrica com objetivo de otimizar as propriedades funcionais tecnológicas da CB. A metodologia de purificação reduziu 94,22 % da composição não fibrosa do SCOBY verificado a partir da análise de composição centesimal, que apresentou valores de 70,97 % e 97,33 % de fibra alimentar no SCOBY íntegro e purificado, respectivamente. A eficácia da purificação também foi comprovada por análise de microscopia eletrônica de varredura (MEV) através da verificação visual da remoção das impurezas de sua estrutura e confirmação de diâmetros inferiores a 1 μm de suas nanofibras. Análise termogravimétrica (TGA) não demonstrou diferença significativa entre as amostras de SCOBY purificado sem tratamento mecânico e com 30 passagens no HAP. A aplicabilidade das CBs provenientes do resíduo industrial de kombucha foram avaliadas pela adição de 1 %, 3 % e 5 % de CB com pré tratamento somente no turrax e com 30 passagens em HAP em filmes biodegradáveis de amido. A resistência à tração do filme com adição de 1% de CB com passagens no HAP aumentou em 24 % comparado ao filme controle e não apresentou diferença significativa quando comparado às outras concentrações de CB adicionadas. Nas análises de cor se verificou um aumento gradual da barreira de passagem de luz com aumento da opacidade e diminuição da luminosidade com a adição de CB na região do UV (210nm) e luz visível (600nm). A solubilidade em água diminuiu com o aumento da concentração de CB ao filme, passando de 37,36 % para filme controle até 7,69 % para o filme com adição de 5 % de CB com 30 passagens no HAP. Em relação às análises de permeabilidade ao vapor de água (PVA) os filmes com adição de CB com passagens no HAP não apresentaram diferenças quanto ao filme controle, enquanto os filmes com tratamento apenas no turrax apresentaram valores superiores. A análise de estabilidade térmica (TGA) não apresentou diferenças significativas entre os filmes controle e com adição de CB. No geral, a CB proveniente do SCOBY apresentou estrutura e comportamento semelhantes aos estudos de celulose bacteriana obtida por fermentação e se mostrou um possível ingrediente promissor principalmente devido ao seu alto teor de fibras alimentares e escala nanométrica obtida. A celulose obtida do SCOBY com tratamento mecânico no HAP pode ser utilizada como reforço de filmes biodegradáveis de amido, otimizando seus parâmetros mecânicos, ópticos e de solubilidade.

Kombucha is a fermented beverage whose consumption has increased in the last years. A bacterial cellulose film called SCOBY (Symbiotic Culture of Bacteria and Yeast) is formed and discarded over time since it is considered industrial residual during fermentation process. The production of bacterial cellulose from the fermentation process is limited due to its high cost and low productivity. Therefore, low-cost alternative sources of this biopolymer such as industrial kombucha waste are interesting for its applicability characterization and evaluation. In this work, the use of a high-pressure homogenizer (HPH) at 600 bar was tested in the industrial kombucha waste, as well as the characterization of this residue. The SCOBY was tested with 10, 20 and 30 passages in HPH to reduce the size of the cellulose fibers on a nanometric scale and optimize its technological functional properties. The purification methodology reduced 94.22 % of SCOBY’s non-fibrous compounds verified from the centesimal composition analysis, with dietary fiber values of 70.97% and 97.33% on intact and purified SCOBY, respectively. The purification effectiveness was also evaluated by scanning electron microscopy (SEM) analysis by visualization of the removal of impurities from its structure and bacterial cellulose nanofibers with diameters smaller than 1 μm and their random arrangement. A thermogravimetric analysis (TGA) showed no significant difference between samples of purified SCOBY without mechanical treatment and with 30 passages in HPH. The bacterial cellulose applicability from industrial kombucha waste was evaluated by addition of 1 %, 3 %, and 5% bacterial cellulose (BC) with pretreatment only on turrax and with 30 passages in HPH on biodegradable starch films. The film's tensile strength with 1 % CB with 30 passages in HPH increased 24 % compared to the control film and showed no significant difference compared to the other concentrations added. In the color analysis, there was a gradual increase in the light passage barrier with increased opacity and decreased luminosity with the addition of CB in the UV region (210nm) and visible (600nm). The solubility in water decreased with a higher CB concentration, going from 37,36 % at control film to 7.69 % at 5% CB with 30 passages in HPH. Regarding the analysis of water vapor permeability (PVA), the films with the addition of CB and passing through the HAP did not differ from the control film, while the films with only turrax treatment showed higher values. The thermal stability analysis (TGA) did not show significant differences between the control films and those with the addition of CB.In general, bacterial cellulose from SCOBY presented structure and behavior similar to studies of BC obtained by fermentation and was shown to be a possible promising ingredient mainly due to its high content of dietary fiber and nanometric scale. The cellulose obtained from SCOBY with mechanical treatment at HAP can be used as reinforcement for biodegradable starch films, optimizing its mechanical, optical, and solubility parameters.