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Electrospinning of natural-based formulations aiming at food packaging applications

2024Master thesis Restricted access
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datacite.subject.fosCiências Agrárias::Biotecnologia Agrária e Alimentarpt_PT
dc.contributor.advisorSantamaria-Echart, Arantzazu
dc.contributor.advisorBarreiro, M.F.
dc.contributor.advisorDemczuk Junior, Bogdan
dc.contributor.authorCorrêa, Larissa
dc.date.accessioned2024-12-11T15:48:16Z
dc.date.available2024-12-11T15:48:16Z
dc.date.embargo2025-12-11
dc.date.issued2024
dc.descriptionMestrado de dupla diplomação com a UTFPR, Universidade Tecnológica Federal do Paraná
dc.description.abstractElectrospinning is a low-cost technique that uses high voltage applied to polymeric solutions triggered by an electric field through a needle to form nanofibers deposited on a metallic collector, forming films for various applications. The characteristics of the solutions, processing parameters, and environmental conditions can affect the films' formation and properties. Adding active substances to polymeric solutions is also highly sought as they have good biocompatibility with natural polymers, permitting the production of nanofiber films with improved characteristics, which have great applicability in the food industry in the food packaging area. Considering cellulose is the most abundant natural polymer on the planet, the objective of this study was to use hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) a cellulose derivative, as a natural polymer, in combination with polyethylene oxide (PEO) as a copolymer, saponin (Quillaja saponin) as active substance and distilled water, as a non-toxic solvent, for nanofibers film production through electrospinning. After a literature review, the amounts of HPMC, PEO, and saponin used in the polymer solutions were defined. For the base solutions, PEO dissolved in water at 1% and 1.5% (w/v), and then three concentrations of HPMC were added in in proportions of 2%, 3%, and 3.5% (w/v), generating six formulations. After being prepared, these base solutions were electrospun, with different parameters used, and the maximum HPMC content was 3% among the solutions that were successfully electrospun. Afterward, saponin was added to base solutions, and all were successfully electrospun. The solutions and films were characterized by several analyses, such as viscosity, electrical conductivity, optical microscopy (OM), wettability, and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The base solutions presented a higher apparent viscosity than those with added saponin but a lower electrical conductivity. The OM analysis showed the formation of nanofibers by the base solutions that were successfully electrospun and in all solutions that contained saponin, of which the films produced presented some circles in the OM analysis for solutions with higher concentrations of HPMC (3.5%). The wettability analysis confirms the hydrophilic properties of all films, and the FTIR analysis confirmed the presence of polymers and saponin in the films, showing the stretching of functional groups in the final produced films. In general, this work aimed to prepare films that could be applied in the food packaging area.pt_PT
dc.description.abstractA eletrofiação é uma técnica de baixo custo que usa alta voltagem aplicada a soluções poliméricas lançadas num campo elétrico através de uma agulha para formar nanofibras depositadas num coletor metálico. Os filmes formados podem ser utilizados em diversas aplicações. As características das soluções, os parâmetros de processo e as condições ambientais podem afetar a formação e as propriedades dos filmes. Substâncias ativas biocompatíveis com polímeros naturais podem ser adicionadas às soluções poliméricas para produzir filmes com características melhoradas, além da alta aplicabilidade na área de embalagens da indústria de alimentos. Considerando a celulose o polímero natural mais abundante do planeta, o objetivo deste estudo foi utilizar hidroxipropilmetilcelulose (HPMC), um derivado da celulose, como polímero natural, em combinação com óxido de polietileno (PEO) como copolímero, saponina (Quillaja saponin) como substância ativa e água destilada como um solvente atóxico, para produção de filmes de nanofibras por eletrofiação. As quantidades de HPMC, PEO e saponina das soluções poliméricas testadas foram definidas com base em dados de literatura. Para as soluções-base foi utilizado PEO dissolvido em água a 1% e 1.5% (p/v) e posteriormente adicionando três concentrações de HPMC nas proporções de 2%, 3% e 3.5% (p/v), gerando seis formulações. Após preparadas, estas soluções-base foram eletrofiadas com diferentes parâmetros e as que apresentaram melhores resultados foram aquelas que continham no máximo 3% de HPMC. A adição de saponina fez com que todas as soluções-base fossem eletrofiadas com sucesso. As soluções e filmes foram caracterizados através de análises de viscosidade, condutividade elétrica, microscopia óptica (MO), molhabilidade e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). As soluções de base apresentaram maior viscosidade aparente do que as soluções com saponina adicionada e uma menor condutividade elétrica. A análise de MO mostrou a formação de nanofibras nos filmes das soluções base eletrofiadas e a presença de áreas circulares nos filmes produzidos com soluções que continham saponina com maiores concentrações de HPMC (3.5%). A análise de molhabilidade confirma as propriedades hidrofílicas de todos os filmes e a análise FTIR mostrou a presença dos grupos funcionais, identificados pelo estiramento característico das bandas dos polímeros e da saponina nos filmes. Em termos gerais, a preparação de filmes de nanofibra por electrospinning foi bem-sucedida em soluções-base com teor máximo de polímero natural.pt_PT
dc.description.sponsorshipThis work was partially supported by national funds through FCT/MCTES (PIDDAC): CIMO, UIDB/00690/2020 (DOI: 10.54499/UIDB/00690/2020) and UIDP/00690/2020 (DOI: 10.54499/UIDP/00690/2020); and SusTEC, LA/P/0007/2020 (DOI: 10.54499/LA/P/0007/2020). This work was performed within the internal project CIMO “EXPL2021CIMO_03 (NatSpinningTech - Implementation of electrospinning technology: From the design to the validation through natural-based electrospun solutions”).pt_PT
dc.identifier.tid203754310pt_PT
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10198/30712
dc.language.isoengpt_PT
dc.relationMountain Research Center
dc.relationMountain Research Center
dc.relationAssociate Laboratory for Sustainability and Tecnology in Mountain Regions
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/pt_PT
dc.subjectElectrospinningpt_PT
dc.subjectHydroxypropyl methylcellulosept_PT
dc.subjectBioactive compoundspt_PT
dc.subjectNanofiberspt_PT
dc.subjectFunctional filmspt_PT
dc.subjectFood packagingpt_PT
dc.titleElectrospinning of natural-based formulations aiming at food packaging applicationspt_PT
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
oaire.awardTitleMountain Research Center
oaire.awardTitleMountain Research Center
oaire.awardTitleAssociate Laboratory for Sustainability and Tecnology in Mountain Regions
oaire.awardURIinfo:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDB%2F00690%2F2020/PT
oaire.awardURIinfo:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDP%2F00690%2F2020/PT
oaire.awardURIinfo:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/LA%2FP%2F0007%2F2020/PT
oaire.fundingStream6817 - DCRRNI ID
oaire.fundingStream6817 - DCRRNI ID
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project.funder.identifierhttp://doi.org/10.13039/501100001871
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project.funder.nameFundação para a Ciência e a Tecnologia
project.funder.nameFundação para a Ciência e a Tecnologia
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rcaap.rightsembargoedAccesspt_PT
rcaap.typemasterThesispt_PT
relation.isProjectOfPublication29718e93-4989-42bb-bcbc-4daff3870b25
relation.isProjectOfPublication0aac8939-28c2-46f4-ab6b-439dba7f9942
relation.isProjectOfPublication6255046e-bc79-4b82-8884-8b52074b4384
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thesis.degree.nameQualidade e Segurança Alimentarpt_PT

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