Sugarcane bagasse xylan acetylation and its effect on bioplastic formulation, properties and biodegradation

Abstract

A aplicação de materiais biodegradáveis renováveis em substituição ao plástico é urgente. Devido ao crescimento da população mundial e ao aumento de seus hábitos de consumo, até 23 milhões de toneladas de resíduos plásticos estão sendo descartados em ambientes naturais, como ecossistemas aquáticos, trazendo danos irreversíveis à vida selvagem. Um biopolímero com potencial para a produção de bioembalagens são as hemiceluloses. No entanto, a molécula de hemicelulose apresenta algumas desvantagens, como baixa resistência térmica, e o bioplástico formado pode apresentar fragilidade e baixa resistência mecânica. Assim, modificações químicas de hemiceluloses podem ser aplicadas para superar tais problemas. A acetilação é um tipo de modificação química comumente aplicada às hemiceluloses e pode melhorar algumas das características do bioplástico. No presente estudo, xilana de cana-de-açúcar foi acetilada aplicando ácido sulfúrico como catalisador, e diferentes condições de reação como teor de ácido sulfúrico e tempo de reação foram testadas. Gras de acetilação baixo (0.45) e médio (0.9) foram alcançados, o que resultou em xilana de cana solúvel em água (como vantagem). A reação de acetilação foi responsável pela hidrólise da xilana devido à presença de ácido sulfúrico, que causou grande perda de massa. Isso pode ser observado principalmente em amostras com alto teor de ácido sulfúrico ou com tempo de reação aumentado. Os bioplásticos foram formados utilizando xilana acetilada com baixo e médio DS e xilana não acetilada, aplicando-se amido como copolímero e glicerol como plastificante. Xilana acetilada em blenda com amido na formação de bioplásticos é aqui relatado pela primeira vez. A água foi utilizada como solvente para a formação do bioplástico e o bioplástico à base de amido, sem adição de xilana, foi utilizado para comparação. A acetilação em graus baixos e médios causou um aumento na resistência mecânica e térmica. A acetilação DS de 0,45 aparentemente não afetou a taxa de desintegração do bioplástico, enquanto o DS médio de 0,9 pode ter sido responsável pela diminuição da atividade microbiana, o que foi atestado em análise de ecotoxicidade. Todas as amostras estudadas apresentam propriedade de barreira ao óleo até 30 dias, uma vantagem para aplicação em embalagens. Os resultados indicam que a acetilação em grau moderado trouxe a vantagem de criar xilana solúvel em água, e foi suficiente para melhorar as propriedades dos bioplásticos.

The application of renewable biodegradable materials replacing plastic is urgent. Due to world population growth and an increase in its consuming habits, up to 23 million metric tons of plastic wastes are being disposed of in natural environments, such as aquatic ecosystems, bringing irreversible damage to wildlife. A potential biopolymer for biopackaging production is hemicelluloses. However, hemicelluloses molecule presents some disadvantages such as low thermal resistance, and the bioplastic formed may present brittleness and low mechanical strength. Therefore, chemical modifications of hemicelluloses can overcome such issues. Acetylation is a common chemical modification applied to hemicelluloses, and can enhance some of the bioplastic features. In the present study, sugarcane xylan was acetylated applying sulfuric acid as catalyst, and different reaction conditions such as sulfuric acid content and reaction time were tested. Low (0.45) and medium (0.9) acetylation degrees substitution (DS) were achieved, which resulted in water-soluble sugarcane xylan (as an advantage). Acetylation reaction was responsible for xylan hydrolysis due to the presence of sulfuric acid, which caused for high mass loss. This could be seen specially in samples with high sulfuric acid content or with increased reaction time. Bioplastics were formed using acetylated xylan with low and medium DS and non-acetylated xylan, applying starch as copolymer and glycerol as a plasticizer. Acetylated xylan blended with starch in bioplastics formation is here reported for the first time. Water was used as a solvent for bioplastic formation, and starch-based bioplastic, without the addition of xylan was used for comparison. Acetylation in both low and medium degrees caused an increase in mechanical and thermal resistance. Acetylation DS of 0.45 apparently didn’t affect the disintegration rate of the bioplastic, while medium DS of 0.9 may have been responsible for decreasing microbial activity, which was attested in ecotoxicity analysis. All of the samples studied present oil barrier property up to 30 days, an advantage for package application. The results indicate that acetylation in a moderate degree brought the advantage of creating water-soluble xylan, and it was sufficient for enhancing bioplastics properties.