PROPRIEDADES FUNCIONAIS DE GELATINA
RETICULADA OBTIDA DE PESCADO E PRODUÇÃO
DE FILMES BIOPOLIMÉRICOS
J.P. Santos
1, H.E. Perleberg
1, R.R. Struitzki
1,
D.L.Botelho
1, C.M. Moura
2, L.A.A. Pinto
1 1- Escola de Química e Alimentos - Universidade Federal do Rio Grande - FURG, Campus Carreiros- CEP: 96.201-900- Rio Grande – RS- Brasil - 55 (53) 3233.6500 - [email protected]2 - Universidade Federal do Pampa – UNIPAMPA, Engenharia de Alimentos CEP: 96.400100 Bagé RSBrasil
-55 (53)32405400
RESUMO – Gelatina é uma proteína natural obtida da hidrólise controlada do colágeno. A reticulação é um método convencional para conferir propriedades funcionais de produtos proteicos. O desenvolvimento de filmes a partir de biopolímeros, que possam substituir os materiais sintéticos, é uma das alternativas estudadas na área de embalagens. Neste trabalho, gelatinas de peles de carpa comum (Cyprinus carpio) foram obtidas e modificadas por agentes reticulantes (MgSO4 e ácido gálico), e foram
utilizadas para produzir filmes biodegradáveis. A gelatina reticulada apresentou maiores propriedades reológicas em relação a gelatina controle, e a sua cor não foi afetada. Os filmes biopoliméricos de gelatina reticulada com ácido gálico apresentaram uma tensão de ruptura cerca de 36% maior do que o filme da gelatina controle, e não foi observado diferença (p≥0,05) no alongamento. No entanto, estes filmes reticulados apresentaram um pequeno aumento na permeabilidade ao vapor de água, quando comparados com o filme de gelatina controle.
ABSTRACT – Gelatin is a natural protein obtained from controlled hydrolysis of collagen. Crosslinking is a conventional method to assign functional properties of protein products. The development of biopolymeric films, which can replace the synthetics materials, is one of the alternatives in the packaging area. In this work, gelatins of common carp skins (Cyprinus carpio) were obtained and modified by cross-linking agents (MgSO4 and gallic acid), and they were used to produce biodegradable films. The crosslinked gelatin showed higher rheological properties than control gelatin, and its color was not affected. The biopolymeric films of gelatin crosslinking with gallic acid showed a
tensile
strength
about 36% higher than the film of control gelatin, and not difference was observed (p ≥ 0.05) in elongation. However, these crosslinked films showed a small increase in water vapor permeability, when compared with the gelatin film.PALAVRAS-CHAVE: colágeno; reticulantes; filmes biodegradáveis. KEYWORDS: collagen; crosslinkers; biodegradable films.
1. INTRODUÇÃO
A gelatina é um composto derivado da proteína de colágeno desnaturado (Bailey e Light, 1989). A fim de obter a gelatina, um processo de pré-tratamento é necessário para converter o colágeno do tecido adequado para extração (Abdelmalek et al., 2016). Há um interesse considerável na utilização
de peles de pescado para a produção de gelatina, uma vez que se utiliza a exploração de subprodutos da indústria de processamento de pescado e, do ponto de vista sociocultural, apresenta uma alternativa à gelatina de mamíferos cujo consumo é rejeitado em algumas culturas.
A qualidade de uma gelatina depende em grande parte de sua funcionalidade estrutural, bem como as suas propriedades reológicas e físico-químicas. Ligações quimicamente cruzadas entre as cadeias proteicas de gelatina são usadas para tentar estabilizar estes géis, e melhorar propriedades funcionais (Dash et al., 2013).
O interesse no desenvolvimento de filmes a partir de subprodutos pesqueiros para a produção de embalagens, ou seja, a busca por um material oriundo de fontes renováveis, com durabilidade em uso e degradabilidade após o descarte, teve início com o conhecimento do impacto ambiental causado por produtos plásticos aliado ao crescimento uso desse tipo de embalagem (Davanço, 2007).
A gelatina é particularmente atrativa para a formação de filmes poliméricos, porque apresenta disponibilidade comercial a um custo relativamente baixo, é biodegradável, biocompatível, e a sua estrutura permite múltiplas combinações de interações moleculares, proporcionando razoável estabilidade (Catalina et al., 2011). No entanto, filmes de gelatina são fortemente sensíveis à água, e a
permeabilidade ao vapor de água (PVA) é uma das propriedades mais importante para aplicação em alimentos.
O objetivo deste estudo foi aumentar as propriedades reológias de gelatina obtida a partir de peles de carpa comum ((Cyprinus carpio) com a reticulação de agentes químicos eletrólitos (MgSO4) e
não eletrólito (ácido gálico), e produzir filmes biopoliméricos a partir dessas gelatinas modificadas de pescado, com o intuito de melhorar suas propriedades mecânicas e físicas.
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Obtenção e reticulação de gelatina
O colágeno utilizado para obtenção de gelatina foi extraído de peles de carpa comum (Cyprinus carpio), os quais foram fornecidos por piscicultores das cidades de Ajuricaba – RS. As peles cortadas (1 cm × 1 cm) foram submetidas ao intumescimento utilizando três pré-tratamentos alcalino/alcalino/ácido conforme metodologia de Silva et al. (2015).
O processo de obtenção de
gelatina pré-tratada foi realizado com adição de água destilada (1:1 m/v) à 52°C, por de 2 h e
pH 4 (ajustado com solução de HCl 3 M). A solução de gelatina obtida foi filtrada em funil de
Büchner.
Para remoção da sujidade e odores indesejados, esta solução foi submetida à clarificação com carvão ativado (1 g de clarificante/kg de solução), por 120 min à 35ºC sob agitação constante. A solução foi filtrada à vácuo em funil de Büchner com papel filtro Whatman nº 4 e uma pré-capa de auxiliar de filtração (terra diatomácea), para remoção do agente clarificante.O pH da solução foi ajustado para 4,0 para uma maior estabilidade utilizando um pHmetro
(modelo MB-10, Marte, Brasil). Após, com o intuito de melhorar as características da gelatina obtida,
as soluções concentradas (66,7 g L-1) foram modificadas quimicamente pela adição de agente eletrólito
(MgSO4 0,8 mol L-1) e não eletrólito (ácido gálico 0,02 mol L-1). As soluções de gelatina controle e as
reticuladas foram mantidas a temperatura de 45 ºC por 30 min em banho termostatizado, a fim de que ocorra a completa homogeneização e posterior caracterizações. Para cada condição testada foram preparadas pelo menos três amostras independentes.
2.2 Preparação de filmes
Os filmes biopoliméricos foram preparados com solução de gelatinas controle e reticuladas (2 g, base seca) e 0,20 g do glicerol, o pH foi ajustado para 4,0 utilizando NaOH 0,10 mol L-1. As soluções
foram agitadas a 600 rpm em agitador magnético durante 30 min para a formação da mistura. O controle da espessura foi efetuado por meio do volume (50 mL) da solução filmogênica vertido sobre placas de
petri. Os filmes foram obtidos por evaporação do solvente em estufa com circulação forçada de ar a 40
ºC por 24 h. Posteriormente, os filmes de gelatina controle (FC), filmes reticulados com MgSO4 (F-Mg)
e filmes reticulados com ácido gálico (F-AG) foram retirados das placas e acondicionados em dessecadores mantidos a 25 ºC e 75 % de umidade relativa (UR), durante pelo menos 48 h antes das análises.
2.3 Metodologia analítica
As amostras de gelatinas foram caracterizadas quanto à cor, força do gel e viscosidade. A cor foi mensurada através da medição do ângulo Hue, utilizando um colorímetro (CR 300, Minolta, EUA), onde L* corresponde do escuro ao claro (0 = preto e 100 = branco). Os valores de croma a* correspondem à escala do verde ao vermelho, e os valores de croma b* correspondem à escala do azul ao amarelo. Para avaliar o ângulo Hue foi utilizada a Equação 1.
Hab= tan-1( b* a*)
A força de gel foi determinada de acordo com a AOAC, método oficial 948-21, (AOAC, 2000). As amostras de gelatina foram preparadas como descrito anteriormente, e imediatamente transferidas para frascos padrão Bloom de 150 mL, onde foram refrigeradas a 7 ° C durante 17 ± 1 h. Após a maturação do arrefecimento, a resistência de gel, foi determinada utilizando um texturômetro (Stable Micro Systems, modelo TA-XTplus, Reino Unido). Uma sonda teflon com 12,5 mm de diâmetro e velocidade 1 mm s-1 foi forçada a penetrar 4 mm nas amostras de gelatina para determinar a força
máxima. A gelatina caracteriza-se comercialmente pelo valor de Bloom, que é uma unidade específica de força do gel medido a 10 °C de acordo com um protocolo especial, sendo que valor de graus Bloom equivale ao valor em gramas.
A viscosidade das amostras de gelatina foi determinada baseado no método proposto por Silva et al. (2014). As soluções de gelatina foram preparadas como descrito anteriormente, e 10 mL foram transferidos para um viscosímetro Cannon-Fenske (Schott Geraete, GMBH – D65719, Alemanha), em banho termostático a 25 °C durante 10 min para a estabilidade térmica. Em seguida, o tempo de fluxo foi registrado e a viscosidade das amostras calculada pela Equação 2.
ρ
K
t
μ
sendo, μ a viscosidade dinâmica da solução de gelatina (cP), K a constante do viscosímetro determinada experimentalmente com um fluido de viscosidade conhecida (St s-1), t o tempo (s), e ρ a massa
específica da solução de gelatina na temperatura do teste (g cm-3) determinada por picnometria.
Após período de acondicionamento, a espessura dos filmes foi obtida utilizando-se um micrômetro digital (modelo INSIZE IP54, series 3103-25, Brasil). A espessura foi fixada como sendo a média aritmética de dez medidas aleatórias sobre a área do filme. Análises de permeabilidade ao vapor de água (PVA) foram realizados gravimetricamente a 25ºC, de acordo com o método ASTM - E96/E96M-05 ASTM (2001a). As amostras de filme na forma de discos (50 mm de diâmetro), foram
(2) (1)
fixadas em células de permeação, contendo cloreto de cálcio anidro. Estas células foram colocadas em dessecadores a 25 ºC e 75 % de umidade relativa. Foi possível determinar a quantidade de vapor de água transferida através da película pelo aumento da massa de cloreto de cálcio anidro (medido em intervalos de 24 h durante 7 dias), conforme a Equação 3.
ΔP
A
L
t
m
PVA
ab
sendo, PVA a permeabilidade ao vapor de água (g Pa–1 s–1 m-1), m
ab a massa de umidade absorvida (g),
t o tempo total do teste (s), L a espessura do filme (m), A a área da superfície exposta do filme (m2), e ΔP a diferença de pressão parcial através do filme (Pa).
As propriedades mecânicas dos filmes (Tensão de ruptura e alongamento na ruptura)
foram determinadas utilizando um texturômetro (Stable Microsystems SMD, TA.XP2i, Reino Unido)
de acordo com o método padrão D00882-00 (ASTM, 2001b), com célula de carga de 50 N. Amostras retangulares dos filmes biopoliméricos foram cortadas, com 100 mm de comprimento e 25 mm de largura. Para execução dos ensaios, adotou-se uma distância inicial entre as garras de 50 mm e uma velocidade de 50 mm min-1.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 apresenta os resultados de gelatinas modificadas quanto força de gel, viscosidade e ângulo Hue.
Tabela 1. Características das gelatinas quanto a força de gel, viscosidade e ângulo Hue Propriedades Gelatina de
carpa
Gelatina bovina
Gelatina de carpa reticulada MgSO4 Ácido gálico Força de gel (g) 219,4±2,5a 277,3±3,4b 236,7±3,5c 248,7±3,7d
Viscosidade (cP) 3,7±0,2a 6,9±0,2b 4,3±0,2c 5,7±0,3d
Ângulo Hue (°) 83,1±1,7a 79,3±0,8 b 84,5±1,4a 83,7±1,3a
Média±desvio padrão para 3 repetições. Igualdade de letras na mesma linha (p>0,05). Letras diferentes na mesma linha (p˂0,05).
A força de gel das gelatinas reticuladas foi maior estatisticamente (p≤0,05), quando comparada a gelatina controle (Tabela 1), sendo próxima a gelatina comercial bovina. Este aumento pode ser devido a renaturação da tripla hélice, aumento da ligação transversal das zonas de junção, assim como a formação de ligação de hidrogênio entre aminoácido hidroxilado e incorporado água (Yan, 2012).
Os valores de viscosidade para a maioria das gelatinas comerciais têm sido reportados entre 2,0 - 7,0 cP, e acima de 13,0 cP para gelatinas especiais (Jamilah e Harvinder, 2002). Nesta propriedade também foi observado um aumento estatístico (p≤0,05) para as gelatinas reticuladas. Segundo Alfaro (2012), este evento pode ser resultado da alteração na disposição da água que circunda as moléculas de gelatina, com a consequente formação de ligações de hidrogênio e exposição de sítios hidrofóbicos da cadeia proteica.
Para os parâmetros de cor não foi observado diferença estatística (p≥0,05), sugerindo atributos colorimétricos típicos de gelatinas de pescado com ângulos próximos a 90° (que corresponde a cor amarela).
A fim de conferir uniformidade ao filme, o controle da espessura é de fundamental importância. A espessura média não mostrou diferença significativa ao nível de 95% (p≤0,05), apresentando valores médios de 85 ± 4 μm em todas as amostras.
A Figura 2 apresenta os resultados dos filmes de gelatinas controle e reticuladas quanto a tensão de ruptura (TR) e alongamento na ruptura (A) (Fig.2a) e permeabilidade ao vapor de água (PVA) (Fig.2b).
Figura 2. Características dos filmes de gelatinas controle e reticuladas quanto a tensão de ruptura, alongamento na ruptura e permeabilidade ao vapor de água.
FC: filmes de gelatina controle, F-Mg: filmes reticulados com MgSO4, F-AG: filmes reticulados com ácido
gálico. Igualdade de letras na mesma resposta (p>0,05). Letras diferentes na mesma resposta (p˂0,05).
Sabe-se que um aumento no grau de reticulação na matriz polimérica aumenta a rigidez das moléculas, assim como o peso molecular. Segundo Bae (2009), isto leva a um aumento na força de tração de filmes e de uma redução na porcentagem de alongamento devido a depressão da mobilidade molecular. Pôde-se observar este comportamento na Figura 2a, onde filmes de gelatina reticulada com ácido gálico teve a tensão de ruptura estatisticamente maior (p≤0,05) quando comparada a controle.
O alongamento na ruptura das amostras de filmes não apresentou diferença significativa (p≥0,05), embora se possa observar uma leve diminuição do alongamento com o aumento da tensão de ruptura. Resultados semelhantes foram encontrados por Tongnuanchan (2015), Moura (2011) e Bae (2009). Na Figura 2b observa-se que o aumento da massa molar causou um aumento na PVA. Isto pode ser justificado devido à organização estrutural do polímero que quanto menor a cadeia polimérica, mais coesa é a estrutura do filme, dificultando a passagem de vapor de água através deste.
4. CONCLUSÃO
Nesta pesquisa, foi possível alcançar melhores propriedades reológicas da gelatina de carpa comum quando reticuladas com os agentes químicos. Ainda, foi possível observar que não houve diferença na tonalidade das gelatinas reticuladas quando comparadas a gelatina controle.
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 FC F-Mg F-AG P V A ( x 1 0 -11 g m -1s -1 Pa -1) 0 10 20 30 40 FC F-Mg F-AG
Tensão de ruptura (Mpa) Alongação (%) (b)
a a ab (a) b a a a a b
A produção de filmes biopoliméricos a partir de gelatina de pescado modificada apresentou características interessantes, uma vez que a tensão de ruptura aumentou estatisticamente, enquanto o alongamento na ruptura não apresentou diferença significativa. Sugerindo que filmes com gelatina reticulada com ácido gálico é mais resistente a tração. No entanto, a PVA nos filmes reticulados com ácido gálico se mostrou menos impermeável quando comparados a gelatina controle e a
reticulada com MgSO4. O aumento da aplicabilidade de gelatina de pescado no mercado, pode
elevar os limites de seu uso, como por exemplo, a utilização de gelatina modificada como base na produção de filmes biopoliméricos.
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