277 resultados para BIOPOLYMERS
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DNA and other biopolymers differ from classical polymers because of their torsional stiffness. This property changes the statistical character of their conformations under tension from a classical random walk to a problem we call the “torsional directed walk.” Motivated by a recent experiment on single lambda-DNA molecules [Strick, T. R., Allemand, J.-F., Bensimon, D., Bensimon, A. & Croquette, V. (1996) Science 271, 1835–1837], we formulate the torsional directed walk problem and solve it analytically in the appropriate force regime. Our technique affords a direct physical determination of the microscopic twist stiffness C and twist-stretch coupling D relevant for DNA functionality. The theory quantitatively fits existing experimental data for relative extension as a function of overtwist over a wide range of applied force; fitting to the experimental data yields the numerical values C = 120 nm and D = 50 nm. Future experiments will refine these values. We also predict that the phenomenon of reduction of effective twist stiffness by bend fluctuations should be testable in future single-molecule experiments, and we give its analytic form.
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Catalysis at organophilic silica-rich surfaces of zeolites and feldspars might generate replicating biopolymers from simple chemicals supplied by meteorites, volcanic gases, and other geological sources. Crystal–chemical modeling yielded packings for amino acids neatly encapsulated in 10-ring channels of the molecular sieve silicalite-ZSM-5-(mutinaite). Calculation of binding and activation energies for catalytic assembly into polymers is progressing for a chemical composition with one catalytic Al–OH site per 25 neutral Si tetrahedral sites. Internal channel intersections and external terminations provide special stereochemical features suitable for complex organic species. Polymer migration along nano/micrometer channels of ancient weathered feldspars, plus exploitation of phosphorus and various transition metals in entrapped apatite and other microminerals, might have generated complexes of replicating catalytic biomolecules, leading to primitive cellular organisms. The first cell wall might have been an internal mineral surface, from which the cell developed a protective biological cap emerging into a nutrient-rich “soup.” Ultimately, the biological cap might have expanded into a complete cell wall, allowing mobility and colonization of energy-rich challenging environments. Electron microscopy of honeycomb channels inside weathered feldspars of the Shap granite (northwest England) has revealed modern bacteria, perhaps indicative of Archean ones. All known early rocks were metamorphosed too highly during geologic time to permit simple survival of large-pore zeolites, honeycombed feldspar, and encapsulated species. Possible microscopic clues to the proposed mineral adsorbents/catalysts are discussed for planning of systematic study of black cherts from weakly metamorphosed Archaean sediments.
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We present a quantitative experimental demonstration of solvent-mediated communication between noncontacting biopolymers. We show that changes in the activity of a solvent component brought about by a conformational change in one biopolymer can result in changes in the physical properties of a second noncontacting biopolymer present in solution. Specifically, we show that the release of protons on denaturation of a donor polymer (in this case, a four-stranded DNA tetraplex, iDNA) modulates the melting temperature of a noncontacting, acceptor polymer [in this case poly(A)]. In addition to such proton-mediated cross talk, we also demonstrate counterion-mediated cross talk between noncontacting biopolymers. Specifically, we show that counterion association/release on denaturation of native salmon sperm DNA (the donor polymer) can modulate the melting temperature of poly(dA)⋅poly(dT) (the acceptor polymer). Taken together, these two examples demonstrate how poly(A) and poly(dA)⋅poly(dT) can serve as molecular probes that report the pH and free salt concentrations in solution, respectively. Further, we demonstrate how such through-solvent dialogue between biopolymers that do not directly interact can be used to evaluate (in a model-free manner) association/dissociation reactions of solvent components (e.g., protons, sodium cations) with one of the two biopolymers. We propose that such through-solution dialogue is a general property of all biopolymers. As a result, such solvent-mediated cross talk should be considered when assessing reactions of multicomponent systems such as those that exist in essentially all biological processes.
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A molecular model of poorly understood hydrophobic effects is heuristically developed using the methods of information theory. Because primitive hydrophobic effects can be tied to the probability of observing a molecular-sized cavity in the solvent, the probability distribution of the number of solvent centers in a cavity volume is modeled on the basis of the two moments available from the density and radial distribution of oxygen atoms in liquid water. The modeled distribution then yields the probability that no solvent centers are found in the cavity volume. This model is shown to account quantitatively for the central hydrophobic phenomena of cavity formation and association of inert gas solutes. The connection of information theory to statistical thermodynamics provides a basis for clarification of hydrophobic effects. The simplicity and flexibility of the approach suggest that it should permit applications to conformational equilibria of nonpolar solutes and hydrophobic residues in biopolymers.
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In vitro selection of nucleic acid binding species (aptamers) is superficially similar to the immune response. Both processes produce biopolymers that can recognize targets with high affinity and specificity. While antibodies are known to recognize the sequence and conformation of protein surface features (epitopes), very little is known about the precise interactions between aptamers and their epitopes. Therefore, aptamers that could recognize a particular epitope, a peptide fragment of human immunodeficiency virus type I Rev, were selected from a random sequence RNA pool. Several of the selected RNAs could bind the free peptide more tightly than a natural RNA ligand, the Rev-binding element. In accord with the hypothesis that protein and nucleic acid binding cusps are functionally similar, interactions between aptamers and the peptide target could be disrupted by sequence substitutions. Moreover, the aptamers appeared to be able to bind peptides with different solution conformations, implying an induced fit mechanism for binding. Just as anti-peptide antibodies can sometimes recognize the corresponding epitope when presented in a protein, the anti-peptide aptamers were found to specifically bind to Rev.
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The helicity in water has been determined for several series of alanine-rich peptides that contain single lysine residues and that are N-terminally linked to a helix-inducing and reporting template termed Ac-Hel1. The helix-propagating constant for alanine (sAla value) that best fits the properties of these peptides lies in the range of 1.01-1.02, close to the value reported by Scheraga and coworkers [Wojcik, J., Altmann, K.-H. & Scheraga, H.A. (1990) Biopolymers 30, 121-134], but significantly lower than the value assigned by Baldwin and coworkers [Chakrabartty, A., Kortemme, T. & Baldwin, R.L. (1994) Protein Sci. 3,843-852]. From a study of conjugates Ac-Hel1-Ala(n)-Lys-Ala(m)-NH2 and analogs in which the methylene portion of the lysine side chain is truncated, we find that the unusual helical stability of Ala(n)Lys peptides is controlled primarily by interactions of the lysine side chain with the helix barrel, and only passively by the alanine matrix. Using 1H NMR spectroscopy, we observe nuclear Overhauser effect crosspeaks consistent with proton-proton contacts expected for these interactions.
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Model AB, a 20-amino acid peptide that was designed to adopt an alpha beta tertiary structure stabilized by hydrophobic interactions between residues in adjacent helical and extended segments, exhibited large pKa shifts of several ionizable groups and slow hydrogen/deuterium exchange rates of nearly all the peptide amide groups [Butcher, D. J., Bruch, M. D. & Moe, G. T. (1995) Biopolymers 36, 109-120]. These properties, which depend on structure and hydration, are commonly observed in larger proteins but are quite unusual for small peptides. To identify which of several possible features of the peptide design are most important in determining these properties, several closely related analogs of Model AB were characterized by CD and NMR spectroscopy. The results show that hydrophobic interactions between adjacent helical and extended segments are structure-determining and have the additional effect of altering water-peptide interactions over much of the peptide surface. These results may have important implications for understanding mechanisms of protein folding and for the design of independently folding peptides.
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Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.
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A caracterização dielétrica de um material pode ser usada como uma técnica não destrutiva para avaliar e monitorar sua qualidade, bem como no entendimento da relação estrutura-propriedade de um material, através de suas propriedades dielétricas em função da frequência, temperatura, composição química do material, dentre outros. Na literatura há escassez de trabalhos e dados de caracterização dielétrica de filmes a base de biopolímeros. Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a construção de uma instrumentação alternativa a equipamentos disponíveis no mercado, como analisadores de rede e de impedância, que pudesse ser utilizada para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis a base de gelatina. Foi utilizado o método de placas paralelas na determinação da parte real da permissividade conhecida como permissividade relativa ou constante dielétrica (ε\'). O circuito utilizado para a instrumentação foi um oscilador astável com funcionamento baseado no amplificador operacional (741) chaveado pela carga de um capacitor de placas paralelas cujo dielétrico foi uma amostra de filme biodegradável. A partir dos valores da frequência de oscilação e geometria do capacitor, foi possível calcular a capacitância de cada amostra e, consequentemente obter os valores da permissividade relativa do filme, usando relações básicas bem estabelecidas. Os filmes de gelatina foram produzidos pela técnica de casting sendo utilizados como plastificantes o glicerol (G), o sorbitol (S) e suas misturas, na proporção (G:S) de 30:70, 50:50 e 70:30. Os filmes foram caracterizados quanto à umidade e cristalinidade. A permissividade relativa (ε\') dos filmes, determinada a temperatura ambiente, foi avaliada em função da frequência (5 a 50 kHz), tempo de armazenamento, do teor de umidade e tipo de plastificante. A instrumentação projetada e construída foi capaz de medir com precisão a permissividade relativa das amostras, sendo que essa propriedade diminuiu com o aumento da frequência para todos os filmes. Mantendo-se a frequência constante, não houve variação de ε\' para os filmes de gelatina, independente do plastificante, ao longo de um mês de armazenamento a 24 ± 3 °C. O efeito da umidade foi observado em frequências menores que 25 kHz, sendo que quanto maior o teor de umidade maior a permissividade relativa. O efeito do tipo de plastificante na permissividade relativa dos filmes foi observado a baixas frequências (5 kHz) e filmes plastificados com sorbitol apresentaram maiores valores de ε\'. Os filmes plastificados com maior teor de umidade apresentaram menor cristalinidade, portanto maior mobilidade molecular e consequentemente maior a permissividade relativa.
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Filmes à base de biopolímeros podem ser utilizados para produção de embalagens ativas, que além de proteger os alimentos, podem interagir com o produto. No caso de embalagens ativas com atividade antioxidante, tem-se privilegiado o uso de agentes antioxidantes naturais, considerando-se que o uso de antioxidantes sintéticos tem sido questionado, sobretudo em relação à sua inocuidade. Existem muitos extratos de plantas já conhecidos por sua atividade antioxidante, que têm sido utilizados com frequência em estudos de filmes à base de biopolímeros, não somente por serem ricos em polifenóis, mas principalmente por sua boa interação com a matriz polimérica. O extrato de boldo-do-Chile (Peumus boldus) possui atividade antioxidante comprovada, entretanto, não existem relatos sobre sua adição em filmes. Dessa forma, o objetivo geral desta tese foi o desenvolvimento de filmes à base de colágeno ou gelatina adicionados de extrato de boldo-do-Chile, com propriedades físicas e funcionais para seu emprego como embalagens bioativas. Foram realizadas as caracterizações (fenólicos totais, ABTS, DPPH, cor, °Brix e pH) do extrato aquoso de boldo-do-Chile, preparado em quatro diferentes temperaturas. Além disso, foram avaliadas as propriedades reológicas e térmicas da solução de gelatina, e também foram elaborados filmes com as soluções de gelatina e colágeno a partir de soluções filmogênicas com diferentes concentrações de macromoléculas e extrato de boldo. Esses filmes foram caracterizados para conhecimento de suas propriedades mecânicas (tração e perfuração), propriedades óticas (cor e opacidade), espessura, umidade e solubilidade em água. Uma concentração de macromoléculas foi escolhida para a realização de análises complementares, a saber: análises térmicas (DSC), cristalinidade por difração de raio X (DRX), permeabilidade ao vapor de água (PVA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), brilho, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), ângulo de contato, propriedades de barreira UV/Visível e atividade antioxidante. A adição do extrato de boldo-do-Chile nos filmes de gelatina e colágeno produziu filmes com atividade antioxidante, sem prejuízo às demais propriedades estudadas. Observou-se que o extrato aquoso de boldo-do-Chile apresentou propriedades antioxidantes, mas que foram dependentes da temperatura de extração. O extrato de boldo-do-Chile foi capaz de modificar as propriedades térmicas das soluções filmogênicas de gelatina, não sendo observado efeito nas análises reológicas. Por outro lado, o extrato aquoso de boldo-do-Chile não influenciou as propriedades mecânicas, solubilidade, umidade, cristalinidade e a permeabilidade ao vapor de água dos filmes de gelatina ou colágeno. Algumas propriedades térmicas sofreram efeito dos extratos, mas as análises de FTIR não mostraram a formação de novas interações. As propriedades óticas e de barreira UV/Visível foram influenciadas pelo extrato de boldo-do-Chile, sendo que os filmes se apresentaram mais amarelados com o aumento da concentração do extrato de boldo-do-Chile. As micrografias mostraram filmes de gelatina bastante homogêneos e filmes de colágeno com superfícies mais rugosas. Os resultados de brilho e ângulo de contato corroboraram com estas respostas. Em conclusão, os filmes de ambas macromoléculas apresentaram atividade antioxidante, podendo dessa forma, serem considerados como filmes ativos.
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A celulose é o polímero natural renovável disponível em maior abundância atualmente. Por possuir estrutura semicristalina, é possível extrair seus domínios cristalinos através de procedimentos que ataquem sua fase amorfa, como a hidrólise ácida, obtendo-se assim partículas cristalinas chamadas nanopartículas de celulose (NCs). Estas nanopartículas têm atraído enorme interesse científico, uma vez que possuem propriedades mecânicas, como módulo de elasticidade e resistência à tração, semelhantes a várias cargas inorgânicas utilizadas na fabricação de compósitos. Além disso, possuem dimensões nanométricas, o que contribui para menor adição de carga à matriz polimérica, já que possuem maior área de superfície, quando comparadas às cargas micrométricas. Nanocompósitos formados pela adição destas cargas em matrizes poliméricas podem apresentar propriedades comerciais atraentes, como barreira a gases, melhores propriedades térmicas e baixa densidade, quando comparados aos compósitos tradicionais. Como se trata de uma carga com dimensões nanométricas, obtida de fontes renováveis, uma das principais áreas de interesse para aplicação deste reforço é em biopolímeros biodegradáveis. O poli(ácido lático) (PLA), é um exemplo de biopolímero com propriedades mecânicas, térmicas e de processamento superiores a de outros biopolímeros comerciais. No presente trabalho foram obtidas nanopartículas de celulose (NCs), por meio de hidrólise ácida, utilizando-se três métodos distintos, com o objetivo de estudar o método mais eficiente para a obtenção de NCs adequadas à aplicação em compósitos de PLA. Os Métodos I e II empregam extração das NCs por meio do H2SO4, diferenciando-se apenas pela neutralização, a qual envolve diálise ou neutralização com NaHCO3, respectivamente. No Método III a extração das NCs foi realizada com H3PO4. As NCs foram caracterizadas por diferentes técnicas, como difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TG), espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia de força atômica (MFA). Os resultados de caracterização das NCs indicaram que, a partir de todos os métodos utilizados, há formação de nanocristais de celulose (NCCs), entretanto, apenas os NCCs obtidos pelos Métodos II e III apresentaram estabilidade térmica suficiente para serem empregados em compósitos preparados por adição da carga no polímero em estado fundido. A incorporação das NCs em matriz de PLA foi realizada em câmara de mistura, com posterior moldagem por prensagem a quente. Compósitos obtidos por adição de NCs obtidas pelo Método II foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise termogravimétrica, microscopia óptica, análises reológicas e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A adição de NCs, extraídas pelo Método II, em matriz de PLA afetou o processo de cristalização do polímero, o qual apresentou maior grau de cristalinidade. Além disso, a adição de 3% em massa de NCs no PLA foi suficiente para alterar seu comportamento reológico. Os resultados reológicos indicaram que a morfologia do compósito é, predominantemente, composta por uma dispersão homogênea e fina da carga na fase matriz. Micrografias obtidas por MEV corroboram os resultados reológicos, mostrando, predominantemente a presença de partículas de NC em escala nanométrica. Compósitos de PLA com NCs obtidas pelo Método III apresentaram aglomerados de partículas de NC em escala micro e milimétrica, ao longo da fase matriz, e não foram extensivamente caracterizados.
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Biopolymers, such as poly(lactic acid) (PLA), have been proposed as environmentally-friendly alternatives in applications such as food packaging. In this work, silver nanoparticles and thymol were used as active additives in PLA matrices, combining the antibacterial activity of silver with the antioxidant performance of thymol. The combined action of both additives influenced PLA thermal degradation in ternary systems. DSC results showed that the addition of thymol resulted in a clear decrease of the glass transition temperature (Tg) of PLA, suggesting its plasticizing effect in PLA matrices. Slight modifications in mechanical properties of dog-bone bars were also observed after the addition of the active components, especially in the elastic modulus. FESEM analyses showed the good distribution of active additives through the PLA matrix, obtaining homogenous surfaces and highlighting the presence of silver nanoparticles successfully embedded into the bulk matrix. Degradation of these PLA-based nanocomposites with thymol and silver nanoparticles in composting conditions indicated that the inherent biodegradable character of this biopolymer was improved after this modification. The obtained nanocomposites showed suitable properties to be used as biodegradable active-food packaging systems with antioxidant and antimicrobial effects.
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The use of biopolymers obtained from renewable resources is currently growing and they have found unique applications as matrices and/or nanofillers in ‘green’ nanocomposites. Grafting of polymer chains to the surface of cellulose nanofillers was also studied to promote the dispersion of cellulose nanocrystals in hydrophobic polymer matrices. The aim of this study was to modify the surface of cellulose nanocrystals by grafting from L-lactide by ring-opening polymerization in order to improve the compatibility of nanocrystals and hydrophobic polymer matrices. The effectiveness of the grafting was evidenced by the long-term stability of a suspension of poly(lactic acid)-grafted cellulose nanocrystals in chloroform, by the presence of the carbonyl peak in modified samples determined by Fourier transform infrared spectroscopy and by the modification in C1s contributions observed by X-ray photoelectron spectroscopy. No modification in nanocrystal shape was observed in birefringence studies and transmission electron microscopy.
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The disintegration under composting conditions of films based on poly(lactic acid)–poly(hydroxybutyrate) (PLA–PHB) blends and intended for food packaging was studied. Two different plasticizers, poly(ethylene glycol) (PEG) and acetyl-tri-n-butyl citrate (ATBC), were used to limit the inherent brittleness of both biopolymers. Neat PLA, plasticized PLA and PLA–PHB films were processed by melt-blending and compression molding and they were further treated under composting conditions in a laboratory-scale test at 58 ± 2 °C. Disintegration levels were evaluated by monitoring their weight loss at different times: 0, 7, 14, 21 and 28 days. Morphological changes in all formulations were followed by optical and scanning electron microscopy (SEM). The influence of plasticizers on the disintegration of PLA and PLA–PHB blends was studied by evaluating their thermal and nanomechanical properties by thermogravimetric analysis (TGA) and the nanoindentation technique, respectively. Meanwhile, structural changes were followed by Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR). The ability of PHB to act as nucleating agent in PLA–PHB blends slowed down the PLA disintegration, while plasticizers speeded it up. The relationship between the mesolactide to lactide forms of PLA was calculated with a Pyrolysis–Gas Chromatography–Mass Spectrometry device (Py–GC/MS), revealing that the mesolactide form increased during composting.
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Poly(lactic acid) PLA, and poly(hydroxybutyrate) PHB, blends were processed as films and characterized for their use in food packaging. PLA was blended with PHB to enhance the crystallinity. Therefore, PHB addition strongly increased oxygen barrier while decreased the wettability. Two different environmentally-friendly plasticizers, poly(ethylene glycol) (PEG) and acetyl(tributyl citrate) (ATBC), were added to these blends to increase their processing performance, while improving their ductile properties. ATBC showed higher plasticizer efficiency than PEG directly related to the similarity solubility parameters between ATBC and both biopolymers. Moreover, ATBC was more efficiently retained to the polymer matrix during processing than PEG. PLA–PHB–ATBC blends were homogeneous and transparent blends that showed promising performance for the preparation of films by a ready industrial process technology for food packaging applications, showing slightly amber color, improved elongation at break, enhanced oxygen barrier and decreased wettability.