Valorization of three gum polysaccharides in the synthesis of nanostructures and packaging films.

Abhilash Venkateshaiah

Doctoral thesis

Abstract:

Tree gums exemplify sustainable and renewable biomacromolecules abundantly available from nature and possess excellent biodegradability, non-toxicity, low cost, physicochemical properties, structural attributes and diverse functional groups. Often known as tree gum polysaccharides or gum hydrocolloids, these biopolymers are obtained as the natural exudates of different tree species and represent a largely unexplored source of valuable natural products. Exudate gums have a wide range of applications in food and pharmaceutical industries as stabilizers, thickening agents, emulsifying agents, and binding agents. Recently there is a growing interest in the use of these exudate gums for non-food applications, including biomedical, food and pharmaceutical packaging, energy, and environmental applications. The discovery of novel uses for these gums has piqued people's attention in recent years. This current thesis investigates the potential non-food applications of three important tree gums: arabic (Acacia Senegal, Acacia Seyal), karaya (Sterculia Urens), and kondagogu (Cochlospermum Gossypium), focusing their uses in food packaging. Abundant availability and biodegradability coupled with non-toxicity and low cost can make these materials ideal for the fabrication of packaging films to replace conventional plastics. However, these exudate gums have intrinsic limitations, including high hydrophilicity, poor film-forming ability, and low mechanical properties. To overcome these drawbacks, different strategies were employed, including chemical modifications, blending with different nanomaterials (graphene oxide, nanocellulose), 2D nanoclay coating, and blending with other natural polymers. The obtained packaging films demonstrated significant improvement in the physicochemical, mechanical, thermal and barrier properties while retaining the biodegradability of the gums. Additionally, certain strategies have been developed to valorize tree gum wastes in the fabrication of nanostructures for advanced applications. The carbon-rich structure of the gum wastes has been utilized in the development of carbon nanostructures with exceptionally high surface area. These carbon nanostructures have been further used in the development of energy harvesters. The abundant functional groups of the gums have been put to use in the development of graphene-supported nanoparticles for environmental remediation application. To summarize, this work emphasizes the valorization of tree gums in food packaging, energy, and environmental applications. The results demonstrate the tremendous unexplored potential of the exudate gums for the fabrication of bioplastic packaging materials. Additionally, gum wastes with no commercial value can potentially be a great resource for the development of nanostructures for advanced applications.

Abstract:

Rostlinné gumy představují udržitelné a obnovitelné biomakromolekuly dostupné z přírodních zdrojů, vyznačující se výtečnou biodegradabilitou, netoxicitou, nízkou cenou, zajímavými chemickými a fyzikálními vlastnostmi, strukturou a přítomností rozličných funkčních skupin. Jsou často označovány jako polysacharidy nebo hydrokoloidy z rostlinných gum. Tyto biopolymery jsou získávány jako přírodní exudáty z různých druhů dřevin a představují málo prozkoumaný zdroj cenných přírodních produktů. Exudátové gumy mají široké spektrum uplatnění v potravinářském a farmaceutickém průmyslu jako stabilizátory, zahušťovadla, emulgátory a pojiva. V poslední době je zvýšený zájem o jejich využití v nepotravinářských odvětvích, zvláště biomedicínských aplikacích, materiálech pro obaly, energetických a environmentálních aplikacích. Výzkumu nových využití těchto gum je tedy v současné době věnována pozornost mnoha subjektů. Tato představovaná práce se zabývá nepotravinářskými aplikacemi tří důležitých materiálů - arabské gumy (získávané z Acacia Senegal, Acacia Seyal) gumy karaya (Sterculia Urens), a gumy kondagogu (Cochlospermum Gossypium) a soustředí se na jejich využití při výrobě obalových materiálů pro potavinářství. Dostupnost v dostatečném množství, biodegrabilita, netoxicita a cenová dostupnost činí tyto materiály ideálními pro výrobu obalových folií s nadějí, že nahradí konvenční plasty. Bohužel tyto exudáty mají v nezpracovaném stavu nedostatky, jako je vysoká hydrofilicita, špatná schopnost tvoření filmů, a nízká mechanická odolnost. Pro překonání těchto nevýhod bylo uplatněno několik strategií, včetně chemické modifikace, mísení s různými nanomateriály (oxid grafenu, nanocelulóza), 2D nanojílové povlakování a mísení s jinými přírodními polymery. Výsledné obalové folie vykazovaly značné zlepšení fyzikálně-chemických, mechanických a tepelně izolačních vlastností i neprodyšnosti za zachování biodegradability rostlinných gum. Také se nám podařilo vyvinout způsoby zušlechtění odpadů z výroby rostlinných gum umožňující jejich použití pro výrobu nanostruktur pro technologicky pokročilé aplikace. Struktura gum bohatá na uhlík byla využita k výrobě nanostruktur s obzvláště vysokým měrným povrchem. Tyto uhlíkaté nanostruktury byly využity k vývoji zařízení pro získávání energie. Početné funkční skupiny zkoumaných gum byly využity při vývoji nanočástic ukotvených na grafenu a pro jejich environmentálně sanační aplikace. Tato práce tedy zahrnuje využití rostlinných gum pro potravinářské obaly, energetické a environmentální aplikace. Její výsledky odhalují obrovský dosud nevyužitý potenciál pro výrobu bioplastických obalových materiálů. Odpady z výroby těchto gum, které zatím nemají komerční hodnotu, se mohou stát ceněnou surovinou pro výrobu nanostruktur pro pokročilé technické aplikace.

Keywords

rostlinné gumy, karaya guma, kondagogu, arabská guma, bioplasty, potravinářské obaly, nanostruktury, získávání energie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Dr. Vinod Vellora Thekkae Padil, Ph.D.

Technical University of Liberec

Technical University of Liberec

Doctoral programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnology