Síntese de carbon dots a partir do resíduo de acerola (malpighia emarginata): uma abordagem sustentável na elaboração de filmes fluorescentes de poli (vinil álcool) para a indústria alimentícia

Abstract

A intensificação da demanda pela segurança e qualidade dos alimentos destaca a necessidade de estratégias eficazes para preservar os produtos e diminuir os riscos à saúde pública. Atrelado a isso, as embalagens alimentícias desempenham um papel crucial na proteção e prolongamento da vida útil dos alimentos. Entretanto, as embalagens convencionais, majoritariamente derivadas de polímeros não renováveis, representam uma problemática ambiental alarmante. Visando minimizar tais danos, materiais biodegradáveis, como o poli (vinil álcool) (PVA), surgem como alternativas promissoras. O PVA, amplamente reconhecido pela sua biocompatibilidade, é uma escolha versátil e sustentável, sendo extensamente explorado na indústria de alimentos para soluções inovadoras. Porém limitações, como solubilidade em água, exigem a incorporação de outros componentes, como nanomateriais, para aprimorar suas propriedades. Os carbon dots (CDs), nanomateriais fluorescentes, são uma abordagem atrativa, podendo melhorar as características mecânicas e agregar funcionalidades ativas e inteligentes ao polímero. Dessa forma, podem tornar o filme um agente antioxidante, antimicrobiano e sensível a variações de pH, atendendo as demandas de embalagens alimentícias modernas. Nesse contexto, o presente trabalho, objetivou desenvolver um filme compósito por meio da incorporação de CDs sintetizados a partir do resíduo de acerola (Malpighia emarginata D.C., RA), matéria- prima rica em compostos bioativos e lignocelulósicos, em uma matriz polimérica de PVA. Para isso, o trabalho foi dividido em três etapas principais, avaliação da matéria- prima, síntese e caracterização dos CDs a partir do resíduo de acerola (CDs-RA) e desenvolvimento e caracterização dos filmes compósitos (FCs). O RA mostrou-se uma biomassa agroindustrial rica em lignina (27,29 ± 0,71%), celulose (24,55 ± 2,35%) e hemicelulose (12,82 ± 0,17%), com perfil de degradação térmica superior a 200 °C. A síntese dos CDs-RA englobou dois estudos visando maximizar a intensidade fluorescente, característica crucial em aplicações inteligentes. No primeiro, compararam-se os métodos de carbonização, hidrotermal convencional e hidrotermal com agitação, sendo o último o mais eficiente, com rendimento quântico (RQ) de 21,8%. No segundo, otimizou-se os parâmetros de síntese temperatura, tempo e proporção de massa/volume por planejamento fatorial Box-Behnken, resultando em CDs com RQ de 20,1%, nas condições de 200 °C, 1 h e proporção 1:10. Esses CDs apresentaram características ópticas, morfológicas, físico-químicas e biológicas promissoras, incluindo fluorescência dependente do pH (máxima em pH 9) e atividade antioxidante frente aos radicais 2,2-azinobis-3-etil-benzotiazolina-6-ácido sulfônico (ABTS) e 2,2-difenil-1-picril-hidrazil (DPPH) (EC50 de 0,39 mg/mL e 0,22 mg/mL, respectivamente), propriedades favoráveis para aplicações na área alimentícia. Por fim, os CDs selecionados foram incorporados ao PVA em concentrações de 0%, 0,08% e 0,16%, gerando FCs com propriedades mecânicas aprimoradas (aumento progressivo na tensão e deformação), com fluorescência dependente do pH e promissora atividade antioxidante por ABTS. No entanto, os CDs e FCs não apresentaram atividade antimicrobiana frente S. aureus e E.coli nas concentrações estabelecidas por meio do teste de difusão em meio sólido. Diante dos resultados obtidos, os CDs-RA sintetizados representam uma alternativa sustentável e promissora para aplicação em embalagens alimentícias multifuncionais.

Abstract: The growing demand for food safety and quality highlights the need for effective strategies to preserve products and reduce risks to public health. In this context, food packaging plays a crucial role in protecting and extending the shelf life of the food products. However, conventional packaging, mostly derived from non-renewable polymers, represents an alternative environmental problem. To mitigate these impacts, biodegradable materials such as poly (vinyl alcohol) (PVA) have emerged as promising alternatives. PVA, widely recognized for its biocompatibility, is a versatile and sustainable choice, extensively exploited in the food industry for innovative solutions. Yet, limitations such as water solubility require the incorporation of additional components, such as nanomaterials, to enhance its properties. Carbon dots, fluorescent nanomaterials, are an attractive approach that can improve the mechanical properties and add active and intelligent functionalities to the polymer. In this way, they can transform the film into an antioxidant, antimicrobial, and pH-sensitive agent, meeting the demands of modern food packaging. In this context, the present study aimed to develop a composite film by incorporating CDs synthesized from acerola waste (Malpighia emarginata D.C., RA), a raw material rich in bioactive and lignocellulosic compounds, into a PVA polymer matrix. The study was divided into three main stages: evaluation of the raw material, synthesis and characterization of CDs from acerola waste (CDs-RA), and development and characterization of composite films (FCs). The RA was found to be an agro-industrial biomass rich in lignin (27,29 ± 0,71%), cellulose (24,55 ± 2,35%) and hemicellulose (12,82 ± 0,17%), with a thermal degradation profile exceeding 200 °C. The synthesis of CDs-RA included two studies aimed at maximizing fluorescent intensity, a crucial characteristic for intelligent applications. In the first study, carbonization, conventional hydrothermal and rotary hydrothermal methods were compared, with the latter being the most efficient, with a quantum yield (QY) of 21.8%. In the second study, synthesis parameters temperature, time, and mass/volume ratio were optimized using a Box-Behnken factorial design, resulting in CDs with QY of 20,1%, under the conditions of 200 °C, 1 h and 1:10 ratio. These CDs showed promising optical, morphological, physicochemical and biological characteristics, including pH-dependent fluorescence (maximum at pH 9) and antioxidant activity against radicals 2,2-azinobis-3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid (ABTS) and 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) (EC50 of 0.39 mg/mL and 0.22 mg/mL, respectively), favorable properties for food applications. Finally, the selected CDs were incorporated into PVA at concentrations of 0%, 0,08% and 0,16%, producing FCs with enhanced mechanical properties (progressive increase in tensile strength, modulus of elasticity and deformation), with pH-dependent fluorescence and promising antioxidant activity by ABTS. However, the CDs and FCs did not show antimicrobial activity against S. aureus and E. coli at the established concentrations by the solid medium diffusion test. Based on the results obtained, the synthesized CDs-RA represent a sustainable and promising alternative for application in multifunctional food packaging.