Cientistas usam solvente ‘verde’ e pigmento natural na produção de bioplástico

Cientistas desenvolveram um processo sustentável que aproveita solventes “verdes” usados na extração de pigmentos de biomassa de leveduras para fabricar plásticos biodegradáveis. Artigo publicado na revista científica Green Chemistry mostra que esse plástico “verde” poderá, no futuro, ser usado em embalagens “inteligentes”, com propriedades antioxidantes e antimicrobianas.

Com empregos similares aos dos plásticos convencionais derivados do petróleo, gás e carvão, que levam centenas de anos para se decompor, os bioplásticos produzidos a partir de cana-de-açúcar, milho e batata começam a chegar ao mercado como alternativa sustentável.

Depois de mais de oito anos de estudos, os pesquisadores demonstraram que solventes eutéticos, chamados “verdes”, são eficazes para extrair os carotenoides astaxantina e betacaroteno, ambos pigmentos antioxidantes, da biomassa da levedura Phaffia rhodozyma. Esses pigmentos naturais são de grande interesse comercial pela aplicação em diversas áreas industriais, como alimentícia, de cosméticos e farmacêutica, entre outras.

A pesquisa concluiu ainda que os solventes podem ser usados, simultaneamente, como agentes extratantes (para extração de compostos) e como plastificantes para a preparação de filmes biodegradáveis à base de amido bioativo, sem a necessidade de purificação adicional.

“Demonstramos em uma prova de conceito que é possível fazer todo o processo de produção de um pigmento natural de forma sustentável. Trabalhamos com duas linhas, sendo uma delas a de produção de pigmentos à base de leveduras e a extração desses compostos naturais de alto valor econômico usando solventes eutéticos, que são uma mistura de componentes biocompatíveis e biodegradáveis. A outra foi a de utilizar esses extratos para fabricar biomateriais, como o bioplástico à base de amido”, explica o professor Jorge Fernando Brandão Pereira, do Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra e um dos autores correspondentes do artigo juntamente com Cassamo Ussemane Mussagy.

O trabalho recebeu apoio da FAPESP por meio de quatro projetos (20/08655-0, 19/15493-9, 18/06908-8 e 15/11759-3) e é parte do pós-doutorado realizado por Mussagy na Universidade de São Paulo (USP), em colaboração com a Universidade Estadual Paulista (Unesp), sob a orientação do professor Adalberto Pessoa Junior.

“Buscamos alternativas aos pigmentos sintéticos e aos processos de extração que utilizam solventes poluentes. Trabalhamos com métodos sustentáveis para obter os pigmentos naturais e, a partir de solventes verdes, aplicá-los posteriormente em plásticos biodegradáveis”, conta Mussagy à Agência FAPESP.

Os pigmentos são empregados há séculos para realçar ou restaurar a aparência original de diferentes produtos e garantir a uniformidade. Nos últimos anos, com a crescente busca do consumidor por produtos mais saudáveis e de alto valor nutricional, além das preocupações com os ecossistemas, o mercado tem procurado substituir os pigmentos sintéticos por compostos naturais, que não poluem e podem apresentar atividades biológicas, como ação antioxidante (astaxantina) e antimicrobiana.

Segundo os pesquisadores, estudos científicos que vêm sendo desenvolvidos para produção e extração desses pigmentos naturais a partir de microrganismos devem contribuir com aumento da oferta no mercado, podendo ser empregados em diversificados produtos, como os bioplásticos. Também chamados de biopolímeros, eles representam menos de 1% dos 367 milhões de toneladas de plástico fabricados por ano no mundo, de acordo com a organização European Bioplastics, representante das indústrias.

Com a pressão para reduzir a utilização de plásticos de origem fóssil devido à poluição e ao volume de lixo produzido, o setor de biopolímeros prevê um crescimento nos próximos anos, impulsionado pela demanda por alternativas sustentáveis vinda das áreas de embalagens, eletroeletrônicos e até têxteis. A estimativa é que a produção aumente de cerca de 2,42 milhões de toneladas em 2021 para 7,59 milhões de toneladas em 2026.

O desenvolvimento de novos biopolímeros tem sido o foco principal do grupo de pesquisa do professor na Unesp Rondinelli Herculano, que colaborou na pesquisa ndo bioplástico à base de amido.

No Brasil, o relatório “Atlas do Plástico”, divulgado em 2020 pela Fundação Heinrich Böll, organização alemã sem fins lucrativos, apontou que 11 milhões de toneladas de plástico foram descartados em 2018. Representou 13,5% do volume de resíduos naquele ano, colocando o país como o quarto maior produtor de lixo plástico. Para a Organização das Nações Unidas (ONU), a poluição plástica é uma ameaça crescente em todos os ecossistemas, especialmente os aquáticos, já que compõe 85% dos resíduos que chegam aos oceanos.

“Os processos atuais de produção industrial ainda são agressivos, mesmo que o produto seja biodegradável. Um exemplo é o do papel que, apesar de ser renovável e reciclável, tem, majoritariamente, métodos de fabricação não sustentáveis, isto é, com alto consumo de energia, de água e de compostos químicos tóxicos. Nesta pesquisa, demonstramos que é possível obter bioplásticos utilizando uma plataforma integrada e mais sustentável”, afirma Pereira.

O processo

Os cientistas produziram os carotenoides cultivando a Phaffia rhodozyma em biorreator. Posteriormente usaram líquidos iônicos e solventes eutéticos à base de colina, uma das vitaminas do complexo B produzida pelo organismo humano e encontrada na natureza, conjugados a ácidos graxos (butanoicos) para extrair os pigmentos da levedura.

Tanto os líquidos iônicos como os eutéticos são apontados como “solventes ideais” para a extração de compostos de matrizes naturais, principalmente por suas propriedades de solvatação, fenômeno que ocorre quando um composto iônico se dissolve em uma substância polar sem formar uma nova.

Para maximizar a recuperação de astaxantina (um dos mais importantes antioxidantes naturais produzidos por leveduras ou microalgas) e de betacaroteno, os pesquisadores testaram cinco concentrações de biomassa-solvente (relação sólido-líquido), considerada um parâmetro crucial em procedimentos de ruptura celular para recuperar moléculas intracelulares de biomassas microbianas.

“Empregamos os biossolventes para que o pigmento fosse extraído da biomassa da levedura e pudesse ser aplicado. Detectamos que o solvente com melhor resultado, além de extrair o corante da biomassa do microrganismo, também atuou como agente plastificante para embalagem”, diz a professora da Unesp Valéria de Carvalho Santos Ebinuma, uma das orientadoras do trabalho.

“Para termos pesquisas de alto nível, é preciso investimento constante e de longo prazo. Por isso, o apoio da FAPESP é importante”, afirma Mussagy.

Os próximos passos agora têm como foco a aplicação dos resultados para demonstrar que as embalagens com esse tipo de plástico “verde” podem ser usadas com várias finalidades, incluindo a indústria alimentícia.

O artigo Ionic liquids or eutectic solvents? Identifying the best solvents for the extraction of astaxanthin and β-carotene from Phaffia rhodozyma yeast and preparation of biodegradable films pode ser lido em:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/gc/d1gc03521e.