Cold atmospheric pressure plasma pretreatment as a novel tool to tailor the functional properties of quince seed mucilage biopolymer-based edible films

No mundo moderno, o filme plástico e os recipientes que mantêm nossos alimentos frescos são uma faca de dois gumes. Embora protejam nossas refeições do deterioramento, eles são feitos de materiais que não se decompõem facilmente, deixando uma marca duradoura no meio ambiente e levantando preocupações sobre a lixiviação de produtos químicos tóxicos em nossos alimentos. Cientistas há muito buscam uma maneira melhor, recorrendo aos próprios materiais da natureza. Um candidato promissor é uma substância pegajosa, semelhante a um gel, encontrada nas sementes do fruto do marmeleiro, um membro da família das rosas com formato de pera. Quando essas sementes são embebidas em água, elas liberam um mucilagem espessa, um polímero natural que pode ser seco em folhas finas e comestíveis. Essas folhas têm o potencial de substituir os plásticos sintéticos, mas enfrentam um obstáculo significativo: em seu estado natural, são frequentemente muito quebradiças para serem manuseadas e muito porosas para impedir a entrada de umidade de forma eficaz, tornando-as candidatas ruins para a proteção de alimentos.

Para resolver isso, os pesquisadores recorreram a uma ferramenta que soa como ficção científica, mas é, na verdade, uma técnica industrial precisa: o plasma atmosférico frio. Imagine um feixe de partículas invisíveis e energéticas que podem tocar uma superfície sem queimá-la. Essa tecnologia permite que os cientistas bombardeiem a superfície de um material com átomos e moléculas carregados, rearranjando sua estrutura em um nível microscópico sem usar calor ou produtos químicos agressivos. O objetivo é pegar o filme natural frágil feito de sementes de marmeleiro e fortalecê-lo, tornando-o mais resistente e melhor em bloquear o vapor de água. Uma equipe de pesquisadores testou recentemente essa ideia, tratando a mistura líquida de mucilagem de semente de marmeleiro com este plasma antes de transformá-la em um filme, esperando encontrar o equilíbrio perfeito de tempo e energia para transformar uma substância natural delicada em um material de embalagem durável.

Os pesquisadores começaram coletando sementes de marmeleiro e tratando-as com o feixe de plasma frio. Eles não apenas adivinharam as configurações; eles variaram sistematicamente a potência do feixe e o tempo de exposição das sementes a ele. Eles testaram três níveis de potência diferentes e três durações diferentes, criando uma grade de possibilidades para ver qual combinação funcionava melhor. Uma vez que as sementes foram tratadas, a equipe extraiu a mucilagem, misturou-a com uma pequena quantidade de glicerol para mantê-la flexível e despejou a solução em pratos para secar em filmes finos. Eles então submeteram esses novos filmes a uma bateria de testes, medindo desde a espessura até a capacidade de repelir água e quanta força poderiam suportar antes de romper.

Uma das primeiras coisas que a equipe descobriu foi que o tratamento de plasma não alterou a espessura dos filmes. Quer as sementes tivessem sido tratadas ou não, as folhas resultantes mantiveram uma espessura consistente de 0,70 milímetros. Esta foi uma descoberta importante porque significou que o tratamento estava alterando as propriedades do material sem mudar suas dimensões físicas básicas. No entanto, a superfície dos filmes mudou dramaticamente. Quando os pesquisadores mediram como as gotas de água se assentavam na superfície, descobriram que o tratamento tornava os filmes mais repelentes à água. O melhor resultado veio do tratamento das sementes com um nível de potência específico por exatamente três minutos. Nesta condição, as gotas de água formaram contas mais pronunciadas do que em qualquer outra amostra, sugerindo que a superfície havia se tornado mais hidrofóbica, ou repelente à água. Este é um traço crucial para embalagens de alimentos, pois ajuda a evitar que o filme fique encharcado e perca sua resistência em ambientes úmidos.

A capacidade de bloquear a umidade, conhecida como permeabilidade ao vapor de água, mostrou um padrão semelhante. Os filmes tratados por três minutos foram os melhores em impedir a passagem do vapor de água, independentemente do nível de potência utilizado. Essa melhoria sugere que o tratamento de plasma ajudou as moléculas no filme a se compactarem mais densamente, criando uma barreira mais densa que as moléculas de água não podiam penetrar facilmente. No entanto, os pesquisadores também encontraram um limite claro para este processo. Quando estenderam o tempo de tratamento para cinco minutos, os filmes tornaram-se, de fato, piores em bloquear a umidade do que os não tratados. A exposição prolongada ao feixe de plasma começou a danificar a estrutura da mucilagem, criando minúsculos caminhos para a água escapar. Isso indicou que, embora a tecnologia pudesse melhorar o material, o excesso era destrutivo, quebrando a própria rede que os cientistas tentavam fortalecer.

A textura da superfície dos filmes também mudou. Usando um microscópio de alta potência que pode sentir a superfície em um nível microscópico, a equipe descobriu que um tratamento curto de um minuto tornou a superfície mais rugosa. Essa rugosidade foi causada pelo feixe de plasma que gentilmente corroeu pequenas partes da superfície. Curiosamente, quando o tratamento durava mais, a superfície tornava-se novamente mais lisa e uniforme. Isso sugere que, após o endurecimento inicial, as moléculas tiveram tempo para se rearranjar em uma estrutura mais compacta e ordenada. A força mecânica dos filmes seguiu uma regra semelhante de "menos é mais". Os filmes mais fortes e flexíveis foram produzidos com um tratamento curto de um minuto em um nível de potência mais baixo. Esses filmes podiam esticar-se mais e suportar mais peso antes de romper, em comparação com as amostras não tratadas. Mas, novamente, forçar o tratamento por muito tempo ou com muita intensidade fez com que os filmes se tornassem quebradiços e fracos, perdendo justamente as qualidades que os tornam úteis.

A resistência ao calor dos filmes também contou uma história de equilíbrio. Quando os pesquisadores aqueceram os filmes para ver como eles resistiam ao estresse, descobriram que as amostras tratadas de forma ideal podiam suportar temperaturas mais altas antes de se degradarem. Isso sugere que o tratamento de plasma ajudou as moléculas a se ligarem mais fortemente, criando uma estrutura mais estável. No entanto, os filmes que foram tratados por cinco minutos mostraram sinais de instabilidade, decompondo-se em temperaturas mais baixas. Isso confirmou que a exposição prolongada havia danificado as cadeias moleculares, tornando o material menos robusto. A análise química dos filmes mostrou que a estrutura básica da mucilagem da semente de marmeleiro permaneceu intacta, mas a química da superfície foi alterada. O feixe de plasma provavelmente criou novas conexões entre as moléculas e mudou a forma como a superfície interagia com a água, tudo isso sem destruir o núcleo do material.

O estudo conclui que o plasma atmosférico frio é uma ferramenta poderosa para melhorar as embalagens naturais de alimentos, mas requer um toque delicado. Os pesquisadores descobriram que uma exposição breve e cuidadosamente controlada pode transformar um filme frágil e sensível à água em um material mais forte e resistente à água. A chave foi encontrar o ponto ideal onde o plasma fortalece as ligações entre as moléculas sem rasgá-las. Tratar as sementes por três minutos em um nível de potência moderado pareceu oferecer o melhor desempenho geral, melhorando a capacidade do filme de bloquear a umidade, sua força e sua resistência ao calor. No entanto, estender o tratamento para cinco minutos reverteu esses benefícios, provando que existe um ponto de retornos decrescentes onde a tecnologia se torna prejudicial. Este trabalho destaca que, embora a natureza forneça as matérias-primas para embalagens sustentáveis, técnicas avançadas como o plasma frio podem ser usadas para refinar esses materiais, tornando-os alternativas viáveis aos plásticos que atualmente dominam nossas prateleiras. O futuro das embalagens de alimentos pode depender de encontrar esses momentos precisos de intervenção, onde um breve toque de energia transforma um simples extrato de semente em um escudo protetor para nossos alimentos.