Development and characterization of biodegradable films from xanthan gum/polyvinyl alcohol polymeric blends reinforced with cellulosic nanostructures for food packaging applications

dc.contributor.advisorGuimarães Junior, Mário
dc.contributor.advisorSanadi, Anand Ramesh
dc.contributor.co-advisorOliveira Junior, Enio Nazaré de
dc.contributor.co-advisorDias, Marali Vilela
dc.contributor.refereeMoreira Neto, João
dc.contributor.refereePatricio, Patricia Santiago de Oliveira
dc.contributor.refereeOliveira, Taíla Veloso de
dc.contributor.refereeOliveira, Taíla Veloso de
dc.contributor.refereeThybring, Emil Engelund
dc.contributor.refereeYoshida, Cristiana Maria Pedroso
dc.creatorCosta, Maria Rita Meyer Ferraz da
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5745152054195544
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5859-0926
dc.date.accessioned2026-01-26T19:51:39Z
dc.date.issued2025-12-17
dc.description.abstractBiodegradable polymers are a class of materials that have emerged as an alternative to mitigate environmental issues caused by the use and improper disposal of petroleum-derived polymers. In this context, the development of new materials based on more efficient and sustainable technologies has intensified, aiming to replace synthetic plastics. However, the production of biodegradable materials still faces limitations, mainly due to high manufacturing costs and inferior thermo-mechanical and barrier properties against gases and moisture. A viable strategy to overcome these limitations is the use of polymer blends, which allow the tailoring of material properties to meet specific demands. This approach shows great potential for applications in various sectors, especially in the production of flexible packaging. In this context, the present study aimed to produce and characterize flexible films based on xanthan gum (XG) and polyvinyl alcohol (PVA), using the solvent evaporation method. Xanthan gum was produced in the laboratory via submerged fermentation from sugarcane bagasse, an agro-industrial residue, using the bacterium Xanthomonas campestris CCT5268. The resulting biopolymer yielded 2 g/L, exhibited pseudoplastic behavior (apparent viscosity of 135 mPa·s at 25 °C and 25 s⁻¹), a molar mass of 1,238,000 kDa, and thermal resistance up to 300 °C, values slightly superior to those of commercial gum. FTIR analyses revealed characteristic absorption bands of polysaccharides, indicating structural similarity between the samples. Polymeric blends developed with commercial XG and lab-produced gum (XGL) showed significant improvements compared to the PVA control film, such as reduced thickness and maintained thermal stability (200 °C for PVA/XG and 195 °C for PVA/XGL). The PVA/XGL1 blend stood out with a tensile strength of 34 MPa, elongation of 270.97%, water vapor permeability of 0.243 g·mm/m²·h·kPa, and a contact angle of 80.81°, indicating greater hydrophobicity and polymer compatibility. Subsequently, the films were enhanced by incorporating cellulose nanofibrils (CNF) into mono- and bilayer films, along with corona treatment applied to bilayer systems. CNF incorporation increased tensile strength to 46.57 MPa and improved thermal stability (348.6 °C) in monolayer films. In bilayer films without corona treatment, increased stiffness (Young’s modulus of 1679.64 MPa), tensile strength of 48.11 MPa, and a significant reduction in flexibility (elongation of 37.79%) were observed, indicating lower interfacial compatibility between layers. Solubility was 9.80%, and opacity increased, with 85% transmittance, features favorable for packaging light- and moisture-sensitive foods. In bilayer films with CNF and corona treatment, a significant improvement in flexibility (elongation of 158.88%), reduced solubility (8.10%), and increased opacity (transmittance of 78.05%) were observed. These modifications indicate enhanced interfacial adhesion and improved functional performance. The results obtained across the three studies demonstrate the technical feasibility of producing xanthan gum from agro-industrial residues and its application in advanced polymer systems. The combination of PVA and XG, reinforced with CNF and surface-modified via corona treatment, resulted in biodegradable films with functional properties suitable for sustainable packaging, contributing to waste valorization and reduced environmental impact.
dc.description.acaoclimatica7. Manejo de resíduos ou recuperação de áreas degradadas
dc.description.areastematicasdaextensaoMeio ambiente
dc.description.notesArquivo retido a pedido da autoria, até janeiro de 2027.
dc.description.odsODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
dc.description.odsODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
dc.description.odsODS 12: Consumo e produção responsáveis
dc.description.odsODS 13: Ação contra a mudança global do clima
dc.description.resumoPolímeros biodegradáveis são uma classe de materiais que emergiu como alternativa para mitigar problemas ambientais decorrentes do uso e descarte inadequado de polímeros derivados de petróleo. Nesse cenário, o desenvolvimento de novos materiais baseados em tecnologias mais eficientes e sustentáveis tem se intensificado com o objetivo de substituir os plásticos sintéticos. No entanto, o processo de obtenção de materiais biodegradáveis ainda apresenta limitações, principalmente devido aos custos de produção e ao desempenho inferior em propriedades termo-mecânicas e barreiras a gases e umidade. Uma alternativa viável para superar essas limitações é a utilização de blendas poliméricas, que permitem a obtenção de materiais com propriedades ajustadas às demandas específicas. Essa abordagem apresenta grande potencial para aplicações em diversos segmentos, especialmente na produção de embalagens flexíveis. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo produzir e caracterizar filmes flexíveis à base de goma xantana (GX) e álcool polivinílico (PVA), utilizando o método de evaporação de solvente. A goma xantana foi produzida em laboratório por meio de fermentação submersa a partir do resíduo agroindustrial do bagaço de cana-de-açúcar, a bactéria Xanthomonas campestris CCT5268. O biopolímero obtido apresentou rendimento de 2 g/L, comportamento pseudoplástico (viscosidade aparente de 135 mPa·s a 25 °C e 25 s⁻¹), massa molar de 1.238.000 kDa e resistência térmica de 300 °C, valores ligeiramente superiores aos da goma comercial. As análises de FTIR revelaram bandas de absorção características de polissacarídeos, indicando similaridade estrutural entre as amostras. As blendas poliméricas desenvolvidas com GX comercial e goma produzida em laboratório (GXL) apresentaram melhorias significativas em relação ao filme controle de PVA, como redução da espessura e manutenção da estabilidade térmica (200 °C para PVA/GX e 195 °C para PVA/GXL). A blenda PVA/GXL1 destacou-se com resistência à tração de 34 MPa, alongamento de 270,97% e permeabilidade ao vapor de água de 0,243 g·mm/m²·h·kPa, além de ângulo de contato de 80,81°, indicando maior hidrofobicidade e compatibilidade entre os polímeros. Posteriormente, os filmes foram aprimorados com a incorporação de nanofibrilas de celulose (CNF) em filmes mono e bicamadas e aplicação de tratamento corona em sistemas bicamada. A presença de CNF elevou a resistência à tração para 46,57 MPa e aumentou a estabilidade térmica (348,6 °C), para filmes monocamada. Nos filmes bicamada sem tratamento corona, observou-se aumento da rigidez (módulo de Young de 1679,64 MPa), resistência à tração de 48,11 MPa e redução expressiva na flexibilidade (alongamento de 37,79%), indicando menor compatibilidade interfacial entre as camadas. A solubilidade foi de 9,80%, e a opacidade aumentada, com transmitância de 85%, características que favorecem o uso em embalagens de alimentos sensíveis à luz e umidade. Já nos filmes bicamada com CNF e tratamento corona, observou-se melhora significativa na flexibilidade (alongamento de 158,88%), redução da solubilidade (8,10%) e aumento da opacidade, com transmitância de 78,05%. Essas modificações indicam maior adesão interfacial e desempenho funcional aprimorado. Os resultados obtidos ao longo dos três estudos demonstram a viabilidade técnica da produção de goma xantana a partir de resíduos agroindustriais e sua aplicação em sistemas poliméricos avançados. A combinação de PVA e GX, com reforço de CNF e modificação superficial por tratamento corona resultou em filmes biodegradáveis com propriedades funcionais adequadas para uso em embalagens sustentáveis, contribuindo para a valorização de resíduos e redução do impacto ambiental.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.tipodeimpactoSociais
dc.description.tipodeimpactoEconômicos
dc.description.tipodeimpactoTecnológico
dc.description.tipodeimpactoOutros
dc.identifier.citationCOSTA, Maria Rita Meyer Ferraz da. Development and characterization of biodegradable films from xanthan gum/polyvinyl alcohol polymeric blends reinforced with cellulosic nanostructures for food packaging applications. 2026. 196 p. Tese (Doutorado em Engenharia de Biomateriais) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufla.br/handle/1/60546
dc.language.isoen_US
dc.publisherUniversidade Federal de Lavras
dc.publisher.collegeEscola de Ciências Agrárias de Lavras (ESAL)
dc.publisher.countrybrasil
dc.publisher.initialsUFLA
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Biomateriais
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectBlenda polimérica
dc.subjectPolímeros biodegradáveis
dc.subjectGoma xantana
dc.subjectNanofibrilas de celulose
dc.subjectÁlcool polivinílico
dc.subjectFilmes mono
dc.subjectPolymer blend
dc.subjectBiodegradable polymers
dc.subjectXanthan gum
dc.subjectPolyvinyl alcohol
dc.subjectCellulose nanofibrils
dc.subject.cnpqEngenharia de materiais e metalúrgica
dc.titleDevelopment and characterization of biodegradable films from xanthan gum/polyvinyl alcohol polymeric blends reinforced with cellulosic nanostructures for food packaging applications
dc.title.alternativeDesenvolvimento e caracterização de filmes biodegradáveis a partir de blendas poliméricas de goma xantana/álcool polivinílico reforçadas com nanoestruturas celulósicas para aplicações em embalagens de alimentos
dc.typetese

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