A dual approach with lignin and nanolignin: Reinforcing UV stability and sustainability in PVA matrices
International Journal of Biological Macromolecules
Volume 314, June 2025
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.144386
- Amanda S.M. de Freitas
- Jéssica S. Rodrigues
- Lucas V.B. Fré
- Henrique O.S. Vieira
- Maria E.S. Nascimento
- Stefanny F. Amaro
- Livia S. Emidio
- Daniele R. de Araujo
- Anderson F. Sepulveda
- Daniel Komatsu
- Vagner R. Botaro
- Leonardo F. Fraceto
- Marystela Ferreira
Resumo:
A lignina Kraft (KL) e seus derivados fracionados por ácido acético foram avaliados quanto às suas propriedades antioxidantes e de absorção de radiação ultravioleta C (UV-C), com o objetivo de mitigar a degradação foto-oxidativa do álcool polivinílico (PVA). Filmes de PVA foram preparados com 4% (m/m) de macropartículas de KL — incluindo a KL não fracionada e as frações KL30, KL40 e KL50 — e com 0,4% (m/m) de nanopartículas de lignina (NP), derivadas das mesmas frações (denominadas NPKL, NP30, NP40 e NP50).
Todas as formulações, incluindo o controle (PVA puro), foram misturadas com 10% (m/m) de fertilizante NPK (nitrogênio-fósforo-potássio, 10–10–10) e plastificadas com glicerol para a produção de filmes. Após 21 dias de exposição à radiação UV-C, os filmes contendo LNP mantiveram mais de 90% de transparência, em comparação com aproximadamente 70% de transparência do PVA puro.
As análises por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e calorimetria diferencial de varredura (DSC) confirmaram redução da degradação foto-oxidativa e térmica nos filmes contendo lignina, especialmente aqueles com KL30 e NP30. Ensaios de biodegradação utilizando análise respirométrica de CO₂ mostraram liberação acelerada para NP30 (até 90 mg após 20 dias), refletindo maior atividade microbiana. Ensaios de lixiviação demonstraram liberação controlada de íons NPK ao longo de 40 dias em filmes com NP.
Nos testes de aplicação, como filme de cobertura (mulch film) com tomate cereja, o PVA + NP30 apresentou desenvolvimento de mudas comparável ao filme comercial e superior ao dos filmes-controle. Esses resultados confirmam o potencial das nanopartículas de lignina como aditivos sustentáveis e multifuncionais para a estabilização UV e a liberação controlada de nutrientes em filmes agrícolas biodegradáveis.
Abstract:
Kraft lignin (KL) and its acetic acid-fractionated derivatives were evaluated for their antioxidant and ultraviolet C (UV-C)-absorbing properties to mitigate the photooxidative degradation of polyvinyl alcohol (PVA). PVA films were prepared with 4 % (w/w) KL macroparticles – including unfractionated KL and the fractionated forms KL30, KL40, and KL50 – and with 0.4 % (w/w) lignin nanoparticles (NP), derived from the same fractions (named NPKL, NP30, NP40, and NP50). All formulations, including the control (pure PVA), were blended with 10 % (w/w) NPK fertilizer (nitrogen‑phosphorus‑potassium, 10–10-10) and plasticized with glycerol for film casting. After 21 days of UV-C exposure, films containing LNP retained over 90 % transparency, compared to ~70 % for pure PVA. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential scanning calorimetry (DSC) confirmed reduced photooxidative and thermal degradation in lignin-containing films, especially those with KL30 and NP30. Biodegradation assays using respirometric CO₂ analysis showed accelerated release for NP30 (up to 90 mg after 20 days), reflecting enhanced microbial activity. Leaching assays demonstrated controlled release of NPK ions over 40 days in films with NP. In mulch film application tests with cherry tomato, PVA + NP30 showed seedling development comparable to commercial mulch and superior to control films. These results confirm the potential of NP as sustainable, multifunctional additives for UV stabilization and controlled nutrient delivery in biodegradable agricultural films.
