Secagem de colágeno hidrolisado com polpa de frutas em leito de jorro e spray dryer : obtenção de um alimento em pó com compostos bioativos

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

JOSÉ JÚNIOR BUTZGE

SECAGEM DE COLÁGENO HIDROLISADO COM POLPA DE

FRUTAS EM LEITO DE JORRO E SPRAY DRYER: OBTENÇÃO DE UM

ALIMENTO EM PÓ COM COMPOSTOS BIOATIVOS

CAMPINAS 2016

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JOSÉ JÚNIOR BUTZGE

SECAGEM DE COLÁGENO HIDROLISADO COM POLPA DE FRUTAS EM LEITO DE JORRO E SPRAY DRYER: OBTENÇÃO DE UM ALIMENTO EM PÓ COM

COMPOSTOS BIOATIVOS

Orientadora: Dra. Sandra Cristina dos Santos Rocha Coorientadora: Dra. Fernanda Condi de Godoi

CAMPINAS 2016

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Química.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO JOSÉ JÚNIOR BUTZGE E ORIENTADA PELA PROF. DRA. SANDRA CRISTINA DOS SANTOS ROCHA.

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Agência de fomento e nº de processo: FAPESP, 2012/12187-5

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Butzge, José Júnior,

1986-B985s ButSecagem de colágeno hidrolisado com polpa de frutas em leito de jorro e spray dryer : obtenção de um alimento em pó com compostos bioativos / José Júnior Butzge. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.

ButOrientador: Sandra Cristina dos Santos Rocha.

ButCoorientador: Fernanda Condi Godoi.

ButTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de

Engenharia Química.

But1. Secagem. 2. Processo de leito de jorro. 3. Spray dryer. 4. Eficiência. 5. Polpa de frutas. I. Rocha, Sandra Cristina dos Santos,1957-. II. Godoi, Fernanda Condi. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Drying of hydrolyzed collagen with fruit pulp in spouted bed and

spray dryer : obtaining a powder food with bioactive compounds

Palavras-chave em inglês:

Drying

Spouted bed process Spray dryer

Efficiency Fruit pulp

Área de concentração: Engenharia de Processos Titulação: Doutor em Engenharia Química

Banca examinadora:

Sandra Cristina dos Santos Rocha [Orientador] Aline Carvalho da Costa

Ana Silvia Prata Soares Carlos Alberto Severo Felipe

Claudia Regina Fernandes de Souza

Data de defesa: 03-10-2016

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FOLHA DE APROVAÇÃO

Tese de doutorado defendida por José Júnior Butzge e aprovada em 03 de outubro de 2016 pela banca examinadora constituída pelos doutores:

Dra. Sandra Cristina dos Santos Rocha – Orientadora FEQ/UNICAMP

Dra. Aline Carvalho da Costa FEQ/UNICAMP

Dra. Ana Silvia Prata Soares FEA/UNICAMP

Dr. Carlos Alberto Severo Felipe EQA/FURG

Dra. Cláudia Regina Fernandes de Souza FCFRP/USP

Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

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“... Inventamos uma montanha de consumo supérfluo, descarta-se e vive-se comprando e descartando, e o que estamos gastando é tempo de vida, porque quando eu compro algo, ou você, não compramos com dinheiro, compramos com o tempo de vida que tivemos de gastar para ter esse dinheiro, mas uma diferença, a única coisa que não se pode comprar é a vida. A vida se gasta, e é miserável gastar a vida para perder a liberdade”.

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DEDICATÓRIA

À minha querida e amada família, meus pais José e Mercilda e minha irmã Kelen.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, força superior que me guia, concedendo energia, equilíbrio, amor e paz.

A professora Dra. Sandra Cristina dos Santos Rocha por sua dedicação incondicional na orientação deste trabalho e sua inestimável contribuição na minha formação profissional.

A Dra. Fernanda Condi de Godoi, pela coorientação e valiosa colaboração no trabalho.

Ao professor Dr. Venkatesh Meda pela oportunidade de estágio concedida e seu esforço na orientação durante a pesquisa na University of Saskatchewan – Canadá. Thank you!!!

A todos os mestres que me ensinaram a direção e o sentido dos caminhos que passei, em especial, aos professores Carlos Alberto Severo Felipe e Osvaldir Pereira Taranto.

Aos amigos e companheiros do Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem (LFS) e do Laboratório de Processos Termofluidodinâmicos (LPTF) pelos momentos de descontração, otimismo e bom humor, o que tornou o trabalho mais prazeroso.

Aos estimados amigos de longa data e aos grandes amigos que fiz ao longo destes seis anos morando em Barão Geraldo, pelos bons momentos vivenciados.

A todos os amores, amigas, amigos, companheiros e companheiras de república que ao longo destes anos em Campinas, compartilharam de bons momentos e assim amenizaram a distância e a saudade da família.

A Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo suporte financeiro concedido através do processo FAPESP 2012/12187-5.

A Faculdade de Engenharia Química (FEQ) e a Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), instituições pelas quais tenho grande respeito e apreço.

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RESUMO

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma formulação alimentícia em pó, de elevado valor nutricional, através da secagem de uma composição constituída por colágeno hidrolisado (CH) e polpas de frutas como uva (Vitis vinifera L.) e manga (Mangifera indica L.), sem adição de adjuvantes. Como meio de superar os problemas técnicos e científicos associados à produção de pó a partir de pastas alimentícias, avaliou-se a influência das condições operacionais de secagem e de diferentes composições de pasta no desempenho do processo e na qualidade do pó obtido, em leito de jorro e spray dryer. Ensaios preliminares foram realizados com intuito de entender e consolidar variáveis operacionais iniciais em ambos os processos. Um estudo aprofundado também foi realizado utilizando um delineamento experimental composto central rotacional para cada equipamento e polpa de fruta. As variáveis independentes estudadas foram a temperatura do ar de secagem, a vazão de atomização de pasta e proporção de CH e polpa de fruta nas pastas de secagem. As respostas obtidas foram a eficiência de secagem e o teor de antocianinas ou betacaroteno incorporados no pó. A otimização do processo e do produto foi efetuada considerando a relação do desempenho de obtenção de pó e do teor de compostos bioativos do produto final. Os pós produzidos nas condições consideradas ótimas foram caracterizados físico-química e nutricionalmente. De uma forma geral, bons resultados de eficiência de secagem foram observados em ambos os secadores e os pós obtidos apresentaram compostos bioativos incorporados no produto final. Nas condições ótimas de secagem, em leito de jorro, foram observadas eficiências de processo acima de 80% para pós com quantidades consideráveis de antocianinas ou betacaroteno, enquanto que em spray dryer a eficiência foi de aproximadamente 70% para pós feitos a partir de pastas com polpa de uva e 50% para pós com polpa de manga. A eficiência de produção de pó foi mais afetada pela composição da pasta em ambos os processos de secagem. O efeito mais pronunciado foi observado no leito de jorro, uma vez que este processo é conduzido a baixas temperaturas, que não ultrapassam a temperatura de transição vítrea de pós com elevada composição de CH. A temperatura durante a secagem em spray dryer ultrapassou a temperatura de transição vítrea dos pós. Contudo, este equipamento permite a secagem de uma vasta gama de composições. Outras variáveis do processo como vazão de alimentação e temperatura do ar também apresentam grande importância e devem ser analisadas de forma singular. A relação entre eficiência de produção de pó e preservação dos compostos bioativos no produto demonstram que os secadores de leito de jorro e spray dryer são viáveis para secagem deste ou de produtos correlatos. A composição alimentícia desenvolvia tem elevado valor nutricional e apresenta grande potencial econômico.

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ABSTRACT

The aim of this work was to develop a high nutritional food powder by drying a blend of hydrolysed collagen (HC) and fruit pulps, such as grape (Vitis vinifera L.) and mango (Mangifera indica L.) without using adjuvants. As a mean to overcome the technical and scientific problems associated with the powder production by drying of food pastes, the influence of operational process conditions and different compositions on the drying performance and product quality were evaluated, in spouted bed and spray dryer. Preliminary experiments were carried out to understand and consolidate the initial variables in both processes. A detailed study was also conducted using a central composite rotatable design in each dryer device and for each fruit pulp. The independent variables were: air temperature, paste feed flow rate and the ratio of fruit pulp and HC in the paste. The responses were powder yield and composition of anthocyanins or betacaroten in the powder. The process and product optimization was made considering the relationship of powder production performance and composition of bioactive in the final product. The physicochemical and nutritional characteristics of powders produced at the optimized conditions were analyzed. In general, high drying yields were observed in both dryers and the produced powders showed bioactive compounds incorporated into the final product. At the optimized conditions, efficiencies above 80% were achieved for spouted bed drying, 70% and 50% for spray drying of pastes having 50% of grape pulp and mango pulp, respectively. Additionally, the powders showed good content of anthocyanins or betacaroten. The principal effect on the powder efficiency for both drying processes was paste composition. The composition effect is more pronounced in the spouted bed, since this process is conducted at low temperatures, not exceeding the glass transition temperature of powders with high amount of HC. The temperature during spray drying exceeded the glass transition temperature in all experiments. However, the characteristics of this equipment allowed the drying of a wide range of compositions. Other process variables such as feed flow rate and air temperature also had great importance in the process and they might be analyzed in each case. The relation between powder production efficiency and preservation of bioactive compounds in the powder showed that the spouted bed and spray dryer are feasible to drying this or other HC products. Finally, the food composition developed has high nutritional value and has great economic potential.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1: Frutos de Vitis vinifera L (uva). ... 28

Figura 3.2: Estrutura química da antocianina. ... 29

Figura 3.3: Frutos de Mangifera indica L (manga). ... 30

Figura 3.4: Estrutura química do β-caroteno. ... 31

Figura 3.5: Estrutura primária, secundária e terciária do colágeno. ... 32

Figura 3.6: Configurações típicas de secadores tipo spray dryer. ... 38

Figura 3.7: Secador de leito de jorro cônico cilíndrico. ... 42

Figura 3.8: Regimes fluidodinâmicos de um secador leito de jorro. ... 43

Figura 4.1: Fluxograma das etapas do projeto. ... 47

Figura 4.2: Representação do sistema experimental do leito de jorro (LFS/FEQ)... 49

Figura 4.3: Representação do sistema experimental do spray dryer (FEA). ... 50

Figura 4.4: Imagem dos secadores de leito de jorro (a) e spray dryer (b). ... 51

Figura 5.1: Curvas fluidodinâmicas com diferentes massas de PP. Temperatura do ar: 70°C. 70 Figura 5.2: Curva fluidodinâmica do PP. Massa de 1 kg e temperatura do ar de 70 °C. ... 71

Figura 5.3: Diagrama de Pareto para os efeitos das variáveis temperatura (1), vazão de alimentação (2) na eficiência de secagem de pasta A1 em leito de jorro. ... 75

Figura 5.4: Gráfico cúbico da eficiência de secagem de pasta A1 em leito de jorro. ... 79

Figura 5.5: Diagrama de Pareto para os efeitos das variáveis: método de alimentação (1), adjuvante (2) e tipo de partícula (3) na eficiência de secagem de SCH em leito de jorro. ... 81

Figura 5.6: Eficiência de secagem e material retido nas partículas inertes durante a secagem de pastas formadas por SCH e PU em leito de jorro. ... 85

Figura 5.7: Valores observados versus valores dos resíduos. SCH e PU em leito de jorro. .... 88

Figura 5.8: Valores observados versus valores preditos. SCH e PU em leito de jorro. ... 88

Figura 5.9: Superfície de resposta da concentração de SCH e vazão de alimentação em função da eficiência de secagem de pasta de SCH e PU em leito de jorro. ... 89

Figura 5.10: Curvas de nível: vazão de alimentação versus concentração de SCH em função da eficiência de secagem de pasta de SCH e PU em leito de jorro. ... 90

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Figura 5.11: Eficiência de obtenção de pó e concentração de antocianinas no pó formado a partir da secagem de pasta de SCH e PU em leito de jorro. ... 91

Figura 5.12: Degradação das antocianinas durante o processo de secagem em leito de jorro. 92

Figura 5.13: Eficiência de obtenção de pó versus material retido nas partículas durante a secagem da pasta formada por SCH e PM em leito de jorro. ... 95

Figura 5.14: Valores observados versus valores dos resíduos. SCH e PM em leito de jorro. .. 97

Figura 5.15: Valores observados versus valores preditos. SCH e PM em leito de jorro. ... 98

Figura 5.16: Superfície de resposta da concentração de SCH e vazão de alimentação em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 99

Figura 5.17: Curvas de nível de vazão e concentração de SCH em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 100

Figura 5.18: Superfície de resposta da concentração de SCH e temperatura em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 101

Figura 5.19: Curvas de nível de temperatura e concentração de SCH em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 102

Figura 5.20: Superfície de resposta da vazão de alimentação e temperatura em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 103

Figura 5.21: Curvas de nível de temperatura e vazão de alimentação em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 103

Figura 5.22: Eficiência de secagem e concentração de betacaroteno no pó formado a partir da secagem de pastas de SCH e PU em leito de jorro. ... 104

Figura 5.23: Degradação de betacaroteno durante o processo de secagem em leito de jorro 105

Figura 5.24: Eficiência de secagem de pastas de SCH e PU em spray dryer. ... 110

Figura 5.25: Valores observados versus valores dos resíduos. SCH e PU em spray dryer. .. 113

Figura 5.26: Valores observados versus valores preditos. SCH e PU em spray dryer. ... 113

Figura 5.27: Superfície de resposta da concentração de SCH e temperatura em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PU em spray dryer. ... 114

Figura 5.28: Curvas de nível de temperatura e concentração de SCH em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PU em spray dryer. ... 115

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Figura 5.29: Eficiência de secagem e concentração de antocianinas no pó formado a partir da

secagem de pastas de SCH e PM em spray dryer. ... 115

Figura 5.30: Degradação das antocianinas durante o processo de secagem em spray dryer. 117 Figura 5.31: Eficiência de obtenção de pó na secagem de pasta de SCH e PM em spray dryer.119 Figura 5.32: Valores observados versus valores dos resíduos. SCH e PM em spray dryer. .. 122

Figura 5.33: Valores observados versus valores preditos. SCH e PM em spray dryer. ... 122

Figura 5.34: Superfície de resposta da concentração de SCH e vazão de alimentação em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em spray dryer. ... 123

Figura 5.35: Curvas de nível de vazão e concentração de SCH em função da eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em spray dryer. ... 124

Figura 5.36: Eficiência de obtenção de pó e concentração de betacaroteno no pó formado a partir da secagem de pastas de SCH e PM em spray dryer. ... 125

Figura 5.37: Degradação de betacaroteno durante o processo de secagem em spray dryer. . 126

Figura 5.38: Cor dos pós obtidos nas melhores condições experimentais. ... 131

Figura 5.39: Análise de instantaneização. Pó LJ05 após 10 minutos. ... 132

Figura 5.41: Micrografias dos pós (a) 100% CH, (b) LJ05, (c) LJ22, (d) SD06, (e) SD14 e (f) SD22, com ampliação de 500 vezes. ... 138

Figura 5.42: Micrografias dos pós (a) 100% CH, (b) LJ05, (c) LJ22, (d) SD06, (e) SD14 e (f) SD22, com ampliação de 2000 vezes. ... 139

Figura 5.43: Termograma do pó LJ05. ... 141

Figura 5.44: Termograma para o pó 100% CH. ... 142

Figura 5.45: Termograma para o pó 100% CH. Região de transição vítrea... 143

Figura 5.46: Termograma para os pós otimizados. Região de transição vítrea. ... 143

Figura AX1: Reograma de fluidos típicos. ... 161

Figura AX2: Curvas fluidodinâmicas típicas para diferentes massas em leito de jorro. ... 161

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Figura AP1: Micrografia do pó LJ05 com aumento de 100 vezes. ... 163

Figura AP3: Micrografia do pó SD06 com aumento de 100 vezes. ... 164

Figura AP11: Termograma (TGA) para o pó 100% CH. ... 168

Figura AP12: Termograma (TGA) para o pó LJ22. ... 168

Figura AP13: Termograma (TGA) para o pó SD06. ... 169

Figura AP16: Termograma (DSC) para o pó LJ05... 170

Figura AP17: Termograma (DSC) para o pó LJ05. Região de transição vítrea. ... 171

Figura AP18: Termograma (DSC) para o pó LJ22... 171

Figura AP19: Termograma (DSC) para o pó LJ22. Região de transição vítrea. ... 172

Figura AP20: Termograma (DSC) para o pó SD06. ... 172

Figura AP21: Termograma (DSC) para o pó SD06. Região de transição vítrea. ... 173

Figura AP23: Termograma (DSC) para o pó SD14. Região de transição vítrea. ... 174

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LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1: Composição nutricional das polpas de uva e manga em g/100g de polpa ... 47

Tabela 4.2: Parâmetros de qualidade do colágeno hidrolisado PEPTIPLUS® SB ... 48

Tabela 4.3: Teste de definição da massa de amostra para análise de β-caroteno ... 54

Tabela 4.4: Teste de definição de massa de amostra para análise de antocianinas ... 55

Tabela 5.1: Composição das pastas desenvolvidas para os ensaios de secagem ... 61

Tabela 5.2: Índice de comportamento reológico (n), coeficiente de determinação (R2_), reologia, densidade e sólidos solúveis totais (SST) das formulações e das polpas de frutas. .. 62

Tabela 5.3: Características físicas e nutricionais das pastas de secagem e polpas de frutas. ... 64

Tabela 5.4: Características de molhabilidade: ângulo de contato entre a superfície sólido-líquido, tensão superficial a 20ºC e trabalho de adesão. ... 67

Tabela 5.5: Matriz de planejamento 22 com pontos centrais e respostas eficiência, umidade e teor de antocianinas. Composição (A1): 75% SCH e 25% PU. Leito de jorro. ... 72

Tabela 5.6: Efeitos da temperatura, vazão e interação na eficiência de secagem. ... 73

Tabela 5.7: Eficiência de secagem e teor de antocianinas nos pós produzidos em leito de jorro com partículas inertes de PP e PEBD. ... 76

Tabela 5.8: Eficiência de secagem e teor de antocianinas nos pós produzidos em leito de jorro com diferentes métodos de alimentação de pasta. ... 76

Tabela 5.9: Matriz de planejamento experimental 23_{e respostas de eficiência de secagem dos} pós produzidos em leito de jorro sem adição de polpa de fruta. ... 78

Tabela 5.10: Efeitos do modo de alimentação (1), uso de adjuvante (2) e partícula de inerte (3) na eficiência de secagem. ... 80

Tabela 5.11: Matriz do planejamento experimental composto central rotacional e resultados dos ensaios de secagem das pastas formadas por SCH e PU em leito de jorro. ... 83

Tabela 5.12: Efeitos da temperatura (1), vazão (2) e concentração (3) para um modelo linear (L) e quadrático (Q) na eficiência de secagem de pastas de SCH e PU em leito de jorro. ... 86

Tabela 5.13: Tabela ANOVA padrão com 90% de confiança considerando erro puro. Ensaios de secagem de pastas de SCH e PU em leito de jorro. ... 87

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Tabela 5.14: Matriz do planejamento experimental composto central rotacional e resultados

dos ensaios de secagem das pastas formadas por SCH e PM em leito de jorro. ... 94

Tabela 5.15: Efeitos da temperatura (1), vazão (2) e concentração (3) para um modelo linear (L) e quadrático (Q) na eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 96

Tabela 5.16: Tabela ANOVA padrão com 90% de confiança considerando erro puro. Ensaios de secagem de pastas de SCH e PM em leito de jorro. ... 97

Tabela 5.17: Matriz de planejamento 22_{com pontos centrais e respostas de eficiência,} umidade e teor de antocianinas. Composição: (A1) 75% SCH e 25% PU. Spray dryer. ... 106

Tabela 5.18: Ensaios preliminares em spray dryer: Efeito da temperatura e vazão na eficiência de secagem. ... 107

Tabela 5.19: Matriz do planejamento experimental composto central rotacional e resultados dos ensaios de secagem das pastas formadas por SCH e PU em spray dryer. ... 109

Tabela 5.20: Efeitos da temperatura (1), vazão (2) e concentração (3) para um modelo linear (L) e quadrático (Q) na eficiência de secagem de pastas de SCH e PU em spray dryer... 111

Tabela 5.21: Tabela ANOVA padrão com 90% de confiança considerando erro puro. Ensaios de secagem de pasta de SCH e PU em spray dryer. ... 112

Tabela 5.22: Matriz do planejamento experimental composto central rotacional e resultados dos ensaios de secagem das pastas formadas por SCH e PM em spray dryer. ... 118

Tabela 5.23: Efeitos da temperatura (1), vazão (2) e concentração (3) para um modelo linear (L) e quadrático (Q) na eficiência de secagem de pastas de SCH e PM em spray dryer. ... 120

Tabela 5.24: Tabela ANOVA padrão com 90% de confiança considerando erro puro. Ensaios de secagem de pasta de SCH e PM em spray dryer. ... 121

Tabela 5.25: Composição centesimal das pastas e pós com melhor desempenho na secagem.127 Tabela 5.26: Parâmetros de cor (a, b e L) dos pós otimizados. ... 130

Tabela 5.27: Ângulo de repouso estático e dinâmico dos pós. ... 133

Tabela 5.28: Classificação de escoabilidade dos pós otimizados. ... 134

Tabela 5.29: Tamanho de partícula dos pós otimizados. ... 135

Tabela 5.30: Temperatura de transição vítrea, eficiência e umidade dos pós otimizados. ... 144

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NOMENCLATURA Letras latinas A Absorbância - AA Concentração de antocianinas M/L3 C Índice de Carr - CB Concentração de betacaroteno M/L3

Cs Concentração de sólidos na pasta %

Css Concentração de sólidos no pó %

D Diâmetro L

Di Diâmetro do orifício de entrada de ar no leito de jorro L

Dc Diâmetro da coluna cilíndrica do leito de jorro L

Dm Diâmetro médio volumétrico L

Ds Diâmetro de Sauter L

DF Fator de diluição -

H Altura de leito fixo L

Hmax Altura máxima de jorro estável L

Hs Razão de Hausner -

MW Peso molecular M/mol

Mpó Massa de pó coletada M

Mf Massa inicial de inertes M

Mi Massa final de inertes M

P Perdas na secagem %

Patmiz Pressão de atomização M/LT2

R Retenção de sólidos %

SST Sólidos solúveis totais º Brix

Tar Temperatura do ar de secagem Θ

Tg Temperatura de transição vítrea Θ

t Tempo de atomização T

tinst Tempo de instantaneização T

Uar Velocidade do ar de secagem L/T

Ujm Velocidade de jorro mínimo L/T

UR Umidade relativa %

VB Densidade aerada M/ L3

VT Densidade compactada M/ L3

X Massa de partícula M

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Letras gregas

ΔPS Queda de pressão de jorro estável M/LT2

ε Absortividade molar L3_{/mol L}

σ Tensão superficial M/LT2

ξ Eficiência de produção do pó %

ξm Eficiência média de produção de pó %

ξ2 Eficiência de produção de pó - réplica %

τ Tensão de cisalhamento M/LT2

Ψ Trabalho de adesão M/LT2

γ Pseudo taxa de deformação T-1

θ Ângulo de contato º

α Ângulo de repouso estático º

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Abreviaturas

Carb. Carboidrados

CH Colágeno hidrolisado

CHB Colágeno hidrolisado bovino SCH Solução de colágeno hidrolisado DCNT Doenças crônicas não transmissíveis DPPH 2,2-difenil-1-picril-hidrazil

DSC Differential scanning calorimetry

DVS Dynamic Vapor Sorption

SD Desvio padrão

FDA U. S. Food and Drug Administration

FT-IR Fourier transform infrared spectroscopy GRAS Generally recognized as safe

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LFS Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem

LJ Leito de jorro

MEV Microscopia eletrônica de varredura

ND Não detectado

NCD Noncommunicable diseases

OMS Organização Mundial da Saúde

PEBD Polietileno de baixa densidade

PM Polpa de manga

PP Polipropileno

PU Polpa de uva

SD Spray dryer

TGA Thermo Gravimetric Analysis

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ... 21 2 OBJETIVOS ... 25 2.1 Objetivo geral ... 25 2.2 Objetivos específicos ... 25 3 REVISÃO DA LITERATURA ... 26

3.1 Vitis vinifera L. – uva ... 28

3.2 Mangifera indica L. – manga ... 30

3.3 Colágeno hidrolisado (CH) ... 31

3.4 Secagem de produtos alimentícios em spray dryer e leito de jorro... 35

3.4.1 Secagem em spray dryer ... 37

3.4.2 Secagem em leito de jorro ... 41

4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 47

4.1 Materiais ... 47

4.2 Sistema experimental ... 48

4.3 Caracterização físico-química e nutricional das pastas de secagem ... 52

4.4 Caracterizações físicas dos inertes ... 56

4.5 Estabilidade dinâmica e condições operacionais do leito de jorro ... 57

4.6 Condições operacionais para o spray dryer ... 57

4.7 Caracterização física do pó formado ... 57

4.8 Caracterização química/nutricional do pó ... 60

4.9 Eficiência dos processos de secagem ... 60

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 61

5.1 Formulações ... 61

5.2 Caracterizações físico-químicas e nutricionais das pastas de secagem ... 62

5.3 Caracterizações físicas dos inertes ... 66

5.4 Ensaios fluidodinâmicos ... 69

5.5 Ensaios preliminares de secagem em leito de jorro ... 71

5.5.1 Testes preliminares: vazão e temperatura ... 71

5.5.2 Testes preliminares: tipo de inerte e modo de alimentação ... 75

5.5.3 Testes preliminares: tipo de inerte, alimentação e adjuvante na secagem de SCH ... 77

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5.6.1 Secagem de pastas com SCH e polpa de uva em leito de jorro ... 83

5.6.2 Secagem de pastas com SCH e polpa de manga em leito de jorro ... 93

5.7 Ensaios preliminares de secagem em spray dryer ... 105

5.8 Secagem de pastas em spray dryer ... 108

5.8.1 Secagem de pastas com SCH e polpa de uva em spray dryer ... 108

5.8.2 Secagem de pastas com SCH e polpa de manga em spray dryer ... 117

5.9 Análise da qualidade dos pós ... 127

5.9.1 Composição centesimal ... 127 5.9.2 Cor ... 129 5.9.3 Tempo de instantaneização ... 131 5.9.4 Escoabilidade ... 133 5.9.5 Coesividade ... 134 5.9.6 Tamanho de partícula ... 135 5.9.7 Morfologia ... 136

5.9.8 Degradação térmica e transição vítrea dos pós ... 140

5.9.8.1 Degradação térmica ... 140

5.9.8.2 Transição vítrea ... 141

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 146

7 CONCLUSÕES ... 147

8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 148

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 149

ANEXOS ... 161

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1 – Introdução e justificativa 21

1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA

É notório que os novos hábitos, padrões de comportamento e consumo da sociedade moderna estão diretamente relacionados ao aumento de uma gama de patologias (FYNLAY, 2009). A alimentação inadequada pode levar à redução da imunidade, comprometimento do desenvolvimento físico e mental, além da redução da capacidade produtiva (WHO, 2012).

As doenças crônicas não transmissíveis (DCNTs) como alguns tipos de câncer, diabetes, colesterol e disfunções musculoesqueléticas são, em alguns casos, atribuídas a fatores como o consumo excessivo de bebidas alcoólicas, gorduras saturadas, sal, ingestão insuficiente de frutas e verduras e inatividade física ou sedentarismo.

Estimativas da Organização Mundial de Saúde (OMS) apontam que as DCNTs já são responsáveis por 58,5% de todas as mortes ocorridas no mundo e por 45,9% da carga global de doenças. O Brasil, que apresenta um panorama semelhante, seguindo a tendência mundial, tem passado por processos de transição demográfica, epidemiológica e nutricional desde a década de 60, com acentuada queda na taxa de natalidade e aumento do número de idosos. Estudos recentes demonstram que as DCNTs constituem um problema de saúde que atinge fortemente as camadas mais pobres da população e grupos vulneráveis, correspondendo a 72% das causas de mortes e de 75% dos gastos com saúde no Sistema Único de Saúde (BRASIL, 2013).

Este cenário constitui um austero e complexo problema de saúde pública que onera os cofres públicos, tanto nos países ricos quanto nos emergentes, difícil de ser tratado do ponto de vista clínico e que extrapola a capacidade política e governamental de alguns países, se tornando um desafio científico e tecnológico a ser superado.

A preocupação com a saúde, alimentação e qualidade de vida tem substancialmente alavancado a busca por bebidas e alimentos nutricionalmente enriquecidos, que suplementem a alimentação diária, previnam doenças, auxiliem na beleza ou promovam saúde e bem estar, como os produtos nutracêuticos e os alimentos funcionais.

Alimento funcional é o termo usado para descrever os alimentos ou ingredientes que proporcionam benefícios à saúde além da nutrição básica (FYNLEY, 2009), enquanto nutracêutico é o termo utilizado para os componentes químicos encontrados naturalmente nos alimentos e que promovam benefícios à saúde (VENUGOPAL, 2008).

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Para a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), a definição de propriedade funcional, baseada no Codex Alimentarius, está regulamentada na Resolução nº 19, de 30 de abril de 1999, em que a alegação de propriedade funcional é definida como aquela relativa ao papel metabólico ou fisiológico que o nutriente ou não nutriente tem no crescimento, desenvolvimento, manutenção e outras funções normais do organismo humano, enquanto que alegação de propriedade de saúde: é aquela que afirma, sugere ou implica a existência da relação entre o alimento ou ingrediente com doença ou condição relacionada à saúde (ANVISA, 1999).

No Brasil, o colágeno hidrolisado (CH), e em especial o colágeno hidrolisado bovino (CHB), é comercializado como suplemento alimentar, normalmente em forma de cápsulas ou pós, com o intuito de estimular a síntese das fibras de colágeno corpóreas, importante para o crescimento de unhas e cabelos, além de promover a elasticidade da pele.

O CH, produto da hidrólise enzimática do colágeno, consiste em um conjunto de aminoácidos e peptídeos bioativos que quando ingeridos demonstram fácil absorção e distribuição para a corrente sanguínea e os demais tecidos do corpo (WALRAND et al. 2008). Estudos clínicos sugerem que a ingestão diária de CH reduz a dor em pacientes com osteoartrites, sendo, portanto, um agente terapêutico de utilidade potencial no tratamento de osteoartrite e osteoporose (MOSKOWITZ, 2000), além de melhorar aspectos relacionados com o envelhecimento da pele, como a elasticidade, umidade e formação de rugas (PROKSCH et al. 2014a; PROKSCH et al. 2014b).

Embora o CH seja utilizado para suplementação alimentar, estando atrelado a muitos benefícios, ainda é um desafio encontrar formas agradáveis e saudáveis de ingerir este produto, visto que a maioria destes contém variados tipos de corantes e/ou edulcorantes artificiais para mascarar as características organolépticas desagradáveis. Entende-se, portanto, que existe um amplo potencial de exploração na combinação de CH com polpas de frutas para fabricação de um novo produto alimentício em pó, com elevado valor nutricional agregado e que incorpore compostos naturais benéficos à saúde e as características físicas e organolépticas das frutas.

Relacionados ao combate dos radicais livres, os compostos fenólicos e os carotenóides, encontrados em frutas e legumes, tem ganhado cada vez mais atenção da

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comunidade científica mundial, devido à reconhecida capacidade antioxidante. A ingestão de frutas e legumes ricos nestes compostos tem sido relacionada por muitos pesquisadores com a redução do risco de diversas doenças (NEUHOUSER, 2004).

Fruto da videira (Vitis vinifera L.), a uva é rica em compostos fenólicos como as antocianinas, flavonóis, taninos e resveratrol (PALMA et al.1999; PALMA e TAYLOR, 1999; MURGA et al. 2000; YILMAZ e TOLEDO, 2004; FANZONE et al. 2011). Tais componentes têm o seu consumo associado com a redução do risco de doenças cardiovasculares e cancerígenas (JANG et al. 1997; DUARTE et al. 2001; HIRVONEN et al. 2001; NEUHOUSER, 2004; SAUTTER et al. 2005; VIDAVALUR et al. 2006; ANSELM et al. 2007; PEZZUTO, 2008; MCCULLOUGH et al. 2012).

A manga (Mangifera indica L.) é uma fruta tropical de elevado valor nutricional, rica em carotenoides e fibras (POTT et al. 2003). Muitos pesquisadores têm demonstrado que os carotenoides são compostos com elevado potencial na redução de doenças cardiovasculares (KRITCHEVSKY et al. 2000; DWYER et al. 2001; SESSO et al. 2004; VOUTILAINEN et al. 2006; ITO et al. 2006) enquanto que o consumo de fibras previne a obesidade e doenças como o colesterol (SLAVIN, 2005).

Embora o Brasil seja um dos maiores produtores mundiais de frutas, grande produtor de uva e manga, com 1.439.535 e 1.163.000 toneladas em 2013 respectivamente, (IBGE, 2016) e o colágeno seja uma proteína de origem animal de grande disponibilidade, ainda não existe um produto alimentício em pó que ofereça os benefícios da proteína de colágeno hidrolisada com os compostos bioativos e nutricionais encontrados nas polpas de frutas, de forma agregada, e sem o uso de carboidratos e/ou adjuvantes, logo, estudos para o desenvolvimento deste produto, bem como e aprimoramento do processo de fabricação são inéditos e plenamente justificáveis.

A transformação de extratos e alimentos líquidos em pós tem sido amplamente estudada em secadores spray dryer (ABADIO et al. 2004; CHEGINI e GHOBADIAN 2005; QUEK et al. 2008; KHA et al. 2010; FERRARI et al. 2011; FAZAELI et al. 2012; KRISHNAIAH et al. 2014), contudo, produtos ricos em açúcares como as polpas de frutas podem apresentar problemas operacionais neste equipamento, resultando na necessidade da

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utilização de agentes carreadores, alterando a composição e deixando o produto final susceptível ao armazenamento (BHANDARI et al. 1997).

A secagem de pastas, soluções e suspensões em leito de jorro tem se tornado uma alternativa para obter produtos em pó diferenciados. A indústria também tem usado as excelentes características de transferência de calor e massa neste equipamento em processos de secagem nas áreas química, alimentícia e farmacêutica.

Bons resultados na secagem de pastas em leito de jorro são facilmente encontrados na literatura científica, principalmente relatando a secagem de polpas de frutas (MASSARANI et al. 1992; LIMA e ALSINA, 1992; MEDEIROS, 2001; MEDEIROS et al. 2002; MEDEIROS et al. 2004; CUNHA et al. 2006, SOUZA, 2009; ROCHA et al. 2011; BEZZERA et al. 2013).

Dentro deste contexto, a presente pesquisa visou desenvolver a formulação de um produto alimentício em pó de alto valor nutricional, à base de colágeno hidrolisado e adicionado de polpa de fruta, sem o uso de agentes adjuvantes (carreadores), e com intuito de preservar e agregar os compostos funcionais das frutas (carotenóides e antocianinas) no produto final, bem como estudar o processo de secagem das pastas em leito de jorro e spray dryer.

Uva e manga foram as frutas utilizadas nas formulações, visto a elevada presença de compostos bioativos (compostos fenólicos e carotenoides) e a grande escala de produção dessas frutas no Brasil. Diferentes composições colágeno-polpa, bem como variadas condições operacionais de processo foram testadas nos dois secadores, leito de jorro e spray dryer, e o produto final foi caracterizado físico-química e nutricionalmente, visando encontrar o equilíbrio entre produto e processo, que mantenha os compostos bioativos no pó e apresente boa eficiência de secagem.

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2 – Objetivos 25

2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral

Desenvolver um produto alimentício ou composição alimentícia em pó, à base de colágeno hidrolisado e polpa de fruta, com compostos bioativos agregados (sem adição de agentes adjuvantes), a partir da secagem de pasta em leito de jorro e spray dryer e estudar a eficiência dos processos de secagem, bem como a qualidade do produto final.

2.2 Objetivos específicos

 Testar e avaliar diferentes relações de pastas CH/polpa de fruta (em massa) nos processos, como: 25% CH: 75% polpa; 50% CH: 50% polpa; e 75% CH: 25% polpa, e determinar as características físicas das pastas quanto à reologia, umidade, densidade, tensão superficial e ângulo de contato, bem como química/nutricional, quanto a pH, compostos bioativos (β-caroteno e/ou antocianinas) e ºBrix (sólidos solúveis).

 Avaliar a estabilidade dinâmica e determinar a altura do leito fixo (H), queda de pressão de jorro estável (ΔPS) e velocidade de jorro mínimo (Ujm) para o inerte escolhido para os testes de secagem em leito de jorro.

 Determinar em testes preliminares as faixas das condições operacionais em leito de jorro, como pressão e vazão de atomização e temperatura do ar de secagem, e em spray dryer, como pressão e vazão de atomização, velocidade do ar de secagem (Uar), temperatura do ar de secagem e avaliar a necessidade de utilizar agentes carreadores.

 Propor uma matriz de planejamento experimental para cada equipamento tendo como fatores a vazão de atomização, temperatura do ar e relação CH/polpa, visando à otimização do processo em termos de eficiência de secagem (produção de pó).

 Quantificar o teor de antocianinas e β-caroteno dos pós formados em diferentes níveis da matriz de planejamento a fim de avaliar quais variáveis tem maior influência sobre o teor dos compostos no produto final.

 Para as condições ótimas de processo dos dois secadores (leito de jorro e spray dryer), caracterizar fisicamente o pó resultante do processo de secagem através das análises de escoabilidade, tamanho de partícula, instantaneização, cor e morfologia.

 Para as condições ótimas de processo dos dois secadores (jorro e spray), caracterizar o pó formado e as respectivas pastas de secagem química/nutricionalmente quanto a composição centesimal (cinzas, lipídios, proteínas, carboidratos e umidade e voláteis), β-caroteno e antocianinas visando a qualidade do produto obtido.

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3 – Revisão da literatura 26

3 REVISÃO DA LITERATURA

Assim como o Brasil, os demais países da América Latina, África, Ásia e mesmo países de maior renda, tem se deparado com novas epidemias de obesidade, diabetes, osteoporose, doenças cardíacas, diversos tipos de câncer (pulmão, reto, cólon, mama, próstata), além de outras doenças crônicas não transmissíveis (DCNT). Tais patologias tem sido uma das grandes preocupações mundiais, visto que tendem a aumentar à medida que a população aumenta de tamanho e envelhece, se constituindo num enorme encargo econômico-social que onera a saúde pública, gerando um problema que não pode mais ser abordado apenas sob o ponto de vista clínico (SEN, 1999, BRASIL, 2006).

A redução da incidência de DCNT por meio da alimentação saudável tem sido utilizada como estratégia de saúde pública global e recomendações específicas sobre dieta têm salientado a necessidade do consumo diário de frutas e verduras, assim como de outros nutrientes necessários para manter o funcionamento adequado e o equilíbrio energético do organismo (BRASIL, 2006).

Frutas como a manga (Mangifera indica L.) e a uva (Vitis vinifera L.), de grande importância econômica na fruticultura brasileira, são importantes fontes energéticas e portadoras de compostos bioativos capazes de reduzir a incidência de algumas DCNTs, destacando-se os carotenoides e os compostos fenólicos, com maior ênfase para o β-caroteno e as antocianinas, antioxidantes que agem na inativação dos radicais livres (ITO et al. 2006; VOUTILAINEN et al. 2006; DUARTE et al. 2001; NEUHOUSER, 2004; PEZZUTO, 2008; POKORNY, 2010; MCCULLOUGH et al. 2012).

O consumo de proteínas, importante fonte de aminoácidos, também é essencial para o crescimento e manutenção das funções do corpo humano (BRASIL, 2006) por prover os nutrientes necessários para os processos celulares. Algumas proteínas têm interesse terapêutico no tratamento de DCNTs como osteoporose e osteoartrite, além de possuírem alegações estéticas no combate a flacidez, rugas, envelhecimento e ressecamento da pele, como é o caso do colágeno hidrolisado (CH), ou proteína de colágeno hidrolisada, que quando ingerida, apresenta funções relacionadas ao retardamento destes processos.

Proteína mais abundante dos mamíferos, o colágeno é encontrado em quase todos os órgãos do corpo humano, constituindo mais de um quarto de sua massa proteica, tendo função relacionada com a flexibilidade e a resistência do tecido conjuntivo e epitelial, bem como no fortalecimento do tecido ósseo (Rodwell e Kennelly, 2003). O CH se torna atrativo

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para o consumo em longo prazo, visto o elevado nível de segurança, fácil absorção e distribuição para a corrente sanguínea e os demais tecidos do corpo (MOSKOWITZ, 2000; WALRAND et al. 2008). A sua inocuidade à saúde humana é atestada pelo status de GRAS (generally recognized as safe), concedido pela U. S. Food and Drug Administration (FDA) (MOSKOWITZ, 2000).

Contudo, a partir das alterações nos aspectos sociais, sobretudo no maior tempo despendido a atividades laborais e menor dedicação à alimentação saudável e atividades físicas, percebe-se a necessidade de atender a novas necessidades e formular produtos alimentícios processados que aliem qualidade nutricional de produtos in natura como das frutas, praticidade requerida para o preparo e consumo e benefícios à saúde.

Entretanto, a dificuldade no processamento de produtos de origem animal e vegetal, particularmente na secagem de pastas alimentícias, limita o desenvolvimento de novos produtos isentos de adjuvantes e conservantes. Se tratando da transformação de polpa de frutas em pó, a utilização de adjuvantes como a maltodextrina é de extrema importância, contudo, o carboidrato altera as características do produto. Alimentos proteicos como o CH raramente vem adicionado de aditivos naturais; sobretudo, não existe um produto alimentício em pó que possua em sua composição CH agregado a polpas de frutas como uva e manga, sem adição de adjuvantes e cujas propriedades bioativas sejam preservadas, que é uma das propostas deste projeto.

Estudos relativos a secagem de pós a base de CH e polpa de frutas como uva e manga são escassos e podem ser uma contribuição para o entendimento das características sinergéticas do produto e também do processo de secagem de CH, contribuindo para área de Engenharia de Alimentos e Engenharia de Processos. O produto final também apresenta grande potencial para patenteabilidade e comercialização, dadas às já reconhecidas características benéficas dos ingredientes no combate as DCNTs, as recomendações de alimentação sugeridas pelos órgãos ligados à saúde pública e a crescente procura e utilização de alimentos que tratam de problemas de saúde. Uma revisão bibliográfica sumária sobre as frutas uva e manga e seus componentes bioativos, o CH e suas características físicas e terapêuticas, bem como dos processos de secagem em leito de jorro e spray dryer é apresentada na sequência do trabalho.

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3.1 Vitis vinifera L. – uva

A Vitis vinifera L. (nome popular: videira) é uma espécie liana do gênero Vitis pertencente à família Vitaceae, distribuída mundialmente, tanto em climas intertropicais quanto em climas subtropicais.

Embora a origem e a história da viticultura se confundam entre achados arqueológicos e paleobotânicos que datam entre 3000 e 5500 a.C na região do mar mediterrâneo (BOUQUET, 2012), pode-se afirmar que atualmente o fruto da Vitis vinifera L., popularmente conhecido como uva (Figura 3.1), é uma das frutas perenes mais cultivadas no Brasil e no mundo, uma vez que se destaca pelo grande valor nutricional e pela versatilidade na forma que é consumida (in natura, sucos, vinhos, doces).

Figura 3.1: Frutos de Vitis vinifera L (uva).

No Brasil, a produção de uvas tem estreita ligação com a cultura e a colonização européia, primeiramente com a chegada dos portugueses e posteriormente italianos e alemães, que se estabeleceram na região sul do país. Segundo dados do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento a comercialização de sucos de uva no mercado interno tem registrado um aumento de 144% desde 2004, enquanto que a exportação da uva brasileira tem como principais destinos a União Europeia (75%) e Estados Unidos (12%) (MAPA, 2013). Dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) afirmam que em 2011 o Brasil

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teve 81.915 hectares de videiras plantadas e produziu 1.463.481 toneladas de uva (EMBRAPA, 2013a), o que demonstra a importância econômica e social desta cultura.

A expansão da cultura bem como o aumento na produção, comercialização e consumo ocorre de forma concomitante com a tendência de utilização desta fruta pela indústria farmacêutica e alimentícia, uma vez que os benefícios dos compostos bioativos presentes na uva são claros e já elucidados. A uva é rica em compostos fenólicos, com maior ênfase para as antocianinas. As antocianinas são flavonoides facilmente solúveis em água. Quimicamente possuem uma estrutura policíclica composta por 15 carbonos. A Figura 3.2 apresenta a estrutura química de uma antocianina.

Figura 3.2: Estrutura química da antocianina.

As antocianinas têm sido reportadas em inúmeros trabalhos como um poderoso agente antioxidante que promove benefícios à saúde e auxilia na redução do risco de doenças cardiovasculares e cancerígenas (JANG et al. 1997; DUARTE et al. 2001; HIRVONEN et al. 2001; NEUHOUSER, 2004; SAUTTER et al. 2005; VIDAVALUR et al. 2006; ANSELM et al. 2007; PEZZUTO, 2008; MCCULLOUGH et al. 2012).

Por se tratar de um composto bioativo de alta disponibilidade em alimentos como vinho, sucos, polpas de frutas vermelhas e apresentar custo financeiro relativamente baixo, como nas uvas in natura, os compostos fenólicos e principalmente os antociânicos tem despertado cada vez mais interesse dos grupos de pesquisa e desenvolvimento de várias partes do mundo, motivando os pesquisadores a buscarem novas aplicações e desenvolver novos

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produtos alimentícios a partir da introdução de derivados de uva ou outras frutas vermelhas na formulação, e desta forma agregar apelo e valor nutricional e, consequentemente, valor econômico aos produtos alimentícios.

3.2 Mangifera indica L. – manga

A Mangifera indica L. (nome popular: mangueira) é uma espécie arbórea da família Anacardiaceae nativa do sul e sudeste da Ásia e posteriormente introduzida em muitas partes do mundo, com maior ênfase nas áreas intertropicais. A fruta (Figura 3.3), conhecida como manga, é rica em açúcares, β-caroteno, vitaminas A, B e C.

Figura 3.3: Frutos de Mangifera indica L (manga).

Enquanto a oferta mundial de manga é de aproximadamente 24 milhões de toneladas, o Brasil produz 3,4% deste volume, com uma produção anual de cerca de 823 mil toneladas, sendo 90% produzidas para consumo interno (EMBRAPA, 2013b). Segundo dados reportados pela EMBRAPA, existe atualmente uma forte tendência de aumento da comercialização, devido ao aumento da área plantada preparada para produzir, principalmente na região do Vale do São Francisco, nordeste do Brasil.

O que mais chama atenção na manga é a composição rica em carotenoides, em especial de β-caroteno, precursor do retinol (vitamina A). O β-caroteno é um pigmento natural, antioxidante que atua na inibição dos radicais livres.

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Figura 3.4: Estrutura química do β-caroteno.

Muitos pesquisadores tem demonstrado que o consumo de frutas e vegetais ricos em carotenoides podem prevenir a mortalidade por possuírem bom potencial na redução de doenças cardiovasculares (KRITCHEVSKY et al. 2000; DWYER et al. 2001; SESSO et al. 2004; VOUTILAINEN et al. 2006; ITO et al. 2006) enquanto o consumo de fibras previne a obesidade e doenças como o colesterol (SLAVIN, 2005).

Assim como a uva, o baixo custo relativo da manga (fruta), aliado com a grande disponibilidade em áreas tropicais e subtropicais e o alto valor nutricional, com composição rica em antioxidantes como o betacaroteno, tem colocado a manga em destaque, como uma fruta com enorme potencial exploratório na engenharia e tecnologia de alimentos.

3.3 Colágeno hidrolisado (CH)

Proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células humanas, constituindo mais de 50 % de sua massa seca (LEHNINGER, 1973). Proteína mais abundante dos mamíferos, o colágeno é encontrado em quase todos os órgãos do corpo humano, constituindo mais de um quarto de sua massa proteica, tendo função relacionada com a flexibilidade e a resistência do tecido conjuntivo e epitelial, bem como no fortalecimento do tecido ósseo (RODWELL e KENNELLY, 2003).

O colágeno é uma proteína fibrosa insolúvel em água, embora possua aminoácidos polares como ácido aspártico (Asp), ácido glutâmico (Glu), arginina (Arg), lisina (Lys) e apolares, como prolina (Pro), serina (Ser), glicina (Gli). Sua estrutura primária é composta por glicina, que se repete a cada 3 resíduos por ser o único aminoácido suficientemente pequeno para ser acomodado no espaço limitado da hélice tripla, prolina e hidroxyprolina, que conferem rigidez e definem o tipo da molécula. Existe uma classificação com 28 tipos de moléculas de colágeno, numeradas em algarismos romanos, I–XXVIII (GORDON e HAHN, 2010; RICARD-BLUM, 2011).

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Sua estrutura terciária mantém uma hélice tripla (estrutura semelhante a utilizada em cabos de aço de pontes suspensas) que lhe confere tamanha resistência (MURRAY e KEELEY, 2003). A Figura 3.5 apresenta a estrutura de uma molécula de colágeno.

O consumo de colágeno torna-se atrativo quando na forma hidrolisada (CH), devido à maior absorção. O colágeno hidrolisado, produto da hidrólise enzimática do colágeno, consiste em um conjunto de aminoácidos e peptídeos bioativos de fácil absorção e distribuição para a corrente sanguínea e os demais tecidos do corpo (WALRAND et al. 2008).

Figura 3.5: Estrutura primária, secundária e terciária do colágeno.

Fonte: Rodwell e Kennelly (2003).

A hidrólise do colágeno pode ser feita utilizando métodos químicos (CABRA, 2007) ou enzimáticos (DEXTER, 2008). O método químico é empregado na produção de gelatina, enquanto o enzimático dá origem a produtos com propriedades bem definidas como o CH, livre de solventes orgânicos residuais ou produtos químicos tóxicos (CHI et al.2014) sendo empregado de forma crescente nas indústrias farmacêuticas e de alimentos (KEZWOŃ et al. 2015). Só as enzimas que pertencem à família protease de matriz metaloprotease (MMP), que contêm tanto um sítio catalítico e o domínio hemopexina têm a capacidade de promover a clivagem enzimática da estrutura helicoidal tripla de colágeno. O tratamento térmico é muitas vezes utilizado antes da hidrólise enzimática de proteínas para desdobrar a cadeia peptídica e expor locais de clivagem internos (SELVAKUMAR et al. 2012).

Estudos realizados com animais sugerem que a ingestão diária de CH aumenta a densidade dos fibroblastos e induz formação das fibras de colágeno na derme de porcos de

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forma específica (MATSUDA et al. 2006) bem como atua no crescimento de tecidos cartilaginosos e as propriedades mecânicas dos tendões de coelhos (MINAGUCHI et al. 2005). Estudos clínicos feitos em humanos também demonstraram que a ingestão de CH reduz a dor em pacientes com osteoartrites bem como as taxas de fraturas em pacientes com osteoporose, sendo, portanto, um agente terapêutico de utilidade potencial no tratamento de osteoartrite e osteoporose (MOSKOWITZ, 2000). A ingestão de CH também tem sido reportada como uma forma de reduzir os sintomas crônicos em pacientes diagnosticados com fibromialgia e problemas de articulações temporo-mandibular (OLSON et al. 2000).

No Brasil, o colágeno hidrolisado é comercializado como suplemento alimentar, normalmente em forma de cápsulas ou pós, com o intuito de estimular a síntese das fibras da matriz de colágeno corpórea e promover a elasticidade da pele (PROKSCH et al. 2014b).

O CH pode ser consumido em longo prazo, visto o elevado nível de segurança, fácil absorção e distribuição para a corrente sanguínea e os demais tecidos do corpo (MOSKOWITZ, 2000; WALRAND et al. 2008). A sua inocuidade à saúde humana é atestada pelo status de GRAS (generally recognized as safe), concedido pela U. S. Food and Drug Administration (FDA) (MOSKOWITZ, 2000).

Moskowitz (2000) reuniu trabalhos relativos a investigações clínicas sobre o uso de CH no tratamento de osteoporose e osteoartrite em um artigo de revisão literária, concluindo que a ingestão de doses diárias de colágeno hidrolisado reduz a dor em pacientes com estas doenças bem como eleva a concentração de hidroxiprolina no sangue, sendo, portanto, um agente potencial para o uso terapêutico no tratamento de osteoporose.

Além do uso terapêutico, a suplementação de peptídeos de colágeno combinada com o treinamento de resistência pode aumentar a massa muscular e força muscular em idosos bem como manter o balanço de nitrogênio no corpo.

Hays et al. (2009) compararam o balanço de nitrogênio em nove mulheres idosas saudáveis, variando o tipo de proteína (colágeno e proteína do soro do leite) e mantendo a mesma quantidade diária de ambas. O peso corporal diminuiu após o consumo do suplemento de soro de leite (whey protein), enquanto que não teve alterações significativas resultantes do consumo do suplemento de colágeno. A excreção de nitrogênio foi maior durante o consumo do suplemento de soro de leite comparada com o de colágeno. Os autores concluíram que o

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suplemento de proteína de colágeno hidrolisado manteve o balanço de nitrogênio e preservou a massa corporal magra durante 15 dias de consumo de uma dieta relativamente baixa de proteína, mostrando desempenho superior ao suplemento alimentar de soro de leite.

Zdzieblik et al. (2015) demonstraram a partir de testes de comparação com placebo (duplo cego), que a suplementação de peptídeo de colágeno (pós treino) em combinação com treinamento de resistência promove a composição corporal, ou seja, aumenta a massa magra (massa muscular), a força muscular e promove perda de massa gorda em pessoas idosas com sarcopenia.

Recentemente, pesquisadores também demonstraram que a suplementação de CH é benéfica para a fisiologia da pele. Com o objetivo de estudar a efetividade do tratamento de colágeno hidrolisado em parâmetros relacionados ao envelhecimento da pele, Proksch et al. (2014a), realizaram um teste duplo cego com 69 mulheres com idades entre 35 – 55 anos que receberam de forma aleatória 2,5 g ou 5 g de CH ou placebo uma vez por dia durante 8 semanas. A elasticidade, umidade e rugosidade da pele bem como a perda de água através da derme foram avaliadas antes do estudo e após 4 semanas e 8 semanas. Ao fim do estudo os pesquisadores perceberam que ambos os grupos que receberam CH (2,5 g e 5 g) tiveram uma melhora significativa na elasticidade da pele em comparação aos placebos.

Proksch et al. (2014b) avaliaram através de um estudo duplo cego a efetividade de um tratamento a partir da ingestão de um peptídeo de colágeno (VERISOL®) na formação de rugas na região dos olhos e estimulação da biossíntese de protocolágeno I, elastina e fibrilina de mulheres entre 45-65 anos. Para o estudo, 140 mulheres receberam aleatoriamente doses diárias de 2,5 g de placebo ou VERISOL® durante 8 semanas. A ingestão do peptídeo de colágeno demonstrou uma redução significativa no volume de rugas em comparação com o grupo que ingeriu placebos após 4 semanas. Após 8 semanas de ingestão, um maior conteúdo de protocolágeno I (65%), elastina (18%) e fibrilina (6%) foi detectado no grupo de voluntários tratados com colágeno, demonstrando que o consumo de peptídeos de colágeno tem um efeito positivo na síntese da matriz da derme, reduzindo as rugas faciais.

Borumand e Sibila (2014) estudaram os efeitos da suplementação de colágeno hidrolisado (Pure Gold Collagen®) nas propriedades da pele. Os autores concluíram que a

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suplementação de 50 mL/dia de CH diário durante 60 dias foi suficiente para a diminuição do ressecamento da pele, bem como a redução das rugas e na profundidade das rugas nasobucais.

Os benefícios do colágeno hidrolisado atestados por criteriosos estudos científicos se estendem por uma vasta literatura da área médica e de nutrição. Os artigos relatados nesta revisão são uma compilação dos principais trabalhos sobre o tema, apresentando relevantes funções do CH para o corpo humano, bem como as mais recentes descobertas sobre o CH e seu papel terapêutico, apresentadas em conceituadas revistas científicas da área de ciências médicas. Contudo, é importante ressaltar que as vantagens do consumo de CH não se restringem aos benefícios reportados neste trabalho, uma vez que o potencial exploratório desta proteína e seus peptídeos em conjunto com outras substâncias bioativas provenientes de frutas e verduras ainda é pouco conhecido, principalmente devido às dificuldades técnicas de processamento e inexistência destes produtos no mercado.

3.4 Secagem de produtos alimentícios em spray dryer e leito de jorro

Ao analisar os principais problemas mundiais, a Organização das Nações Unidas (ONU) lançou no ano 2000 oito objetivos do milênio, que deveriam ser atingidos por todos os países até 2015, dos quais, o primeiro consiste em erradicar a fome e a pobreza extrema (PNDU, 2012). Contudo, grandes perdas na produção alimentícia, e em particular, de frutas, são contabilizadas a cada ano em todo mundo. No Brasil, a perda é de até 40% em algumas culturas. Esta quantidade poderia ser significativamente reduzida através de técnicas de secagem mais adequadas, que permitissem a industrialização e comercialização do produto (ROCHA e TARANTO, 2009).

Mujundar e Menon (1995) descreveram a secagem como o processo de remoção térmica das substâncias voláteis com o objetivo de produzir um produto sólido seco. As substâncias voláteis (umidade interna) são retiradas do material sólido na forma de vapor, sendo o gás (agente de secagem) aquecido por um agente externo através de condução, convecção ou radiação (KEEY, 1992).

A secagem de alimentos visa à eliminação total ou parcial da umidade presente nos sólidos, tendo como finalidade principal conservar/preservar as características destes alimentos, aumentar a vida de prateleira e tornar os gastos com armazenagem e transporte economicamente mais vantajosos (COHEN e YANG, 1995). Na prática, a maior parte dos

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processos de secagem envolvendo produtos alimentícios e alimentos in natura consiste em separar água do sólido através de uma corrente de ar, de maneira que ocorra simultaneamente a transferência de calor para evaporar o líquido, e transferência de massa, em que a água no estado vapor deixa o interior do sólido, se deslocando para e com a corrente de ar.

O processo de secagem de um sólido genérico divide-se em três etapas fundamentais: período inicial de secagem, secagem à taxa constante e secagem à taxa decrescente. No período inicial de secagem, o material entra em equilíbrio térmico com o agente de secagem, podendo ocorrer, em alguns casos, o ganho de massa pelo sólido. Durante o período de secagem a taxa constante, a umidade é retirada da superfície exposta do sólido e as taxas de transferência de calor e massa dependem principalmente do mecanismo de transporte na camada limite. Durante a etapa final da secagem, quando a umidade na superfície do sólido se esgota, a taxa de secagem é governada pela resistência ao transporte dentro do material a ser seco, havendo, portanto, uma grande demanda de energia necessária para a retirada da umidade, uma vez que o caminho que o vapor d´água percorre para sair do sólido aumenta com o tempo, sendo mais difícil sua remoção, limitando assim, o fenômeno de transferência de massa (STRUMILLO e KUDRA, 1986). As condições internas e externas do material como porosidade, rugosidade e composição podem influenciar a cinética de secagem ou mudanças no conteúdo de umidade com o tempo nos períodos de secagem à taxa constante e decrescente.

O processo de secagem envolve um grande número de operações de engenharia, como a vaporização, difusão, transporte de sólidos, fluidos e de fluxos de calor, o que demonstra a complexidade da operação, uma vez que estes fatores não podem ser ignorados na correta escolha do equipamento operacional. Diversos tipos de secadores industriais podem ser encontrados para comercialização dependendo das características do material a ser seco e do produto final requerido, sendo incumbida ao engenheiro de processos a responsabilidade da adequada escolha do secador, analisando os fatores supracitados bem como requisitos óbvios de eficiência de processo bem como econômicos.

Segundo Keey (1978) os principais fatores que definem a natureza de um secador são a maneira com que o material de secagem recebe calor, a pressão e a temperatura de operação e o modo com que o material é acondicionado no secador. Uma classificação de secadores muito utilizada é quanto ao recipiente de secagem, sendo os mais comuns secadores

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de bandejas, de tambor rotatório, leitos fluidodinamicamente ativos (jorro, fluidizado, jorro-fluidizado) pneumáticos e secadores atomizadores (spray dryer).

3.4.1 Secagem em spray dryer

O secador por atomização, spray ou como é conhecido, spray dryer foi desenvolvido em meados do século XIX e teve as primeiras aplicações industriais relatadas no início do século XX, período em que começou a se disseminar em processos de secagem na indústria química, alimentícia e farmacêutica, sendo atualmente o equipamento mais utilizado para secagem de materiais fluidos nestes setores industriais.

O spray dryer consiste em uma câmara de secagem, usualmente cônica, cilíndrica ou cônico-cilíndrica, alimentada por um gás de secagem (normalmente ar) a alta temperatura e um sistema de atomização que alimenta continuamente o fluido de forma dispersa (gotículas) na trajetória do gás de secagem. O produto final (pó) pode ser recuperado por diferentes mecanismos, arrastado pela força gravitacional, centrípeta ou transporte pneumático, dependendo do equipamento.

O secador pode apresentar diferentes configurações, em que são possíveis variações no tamanho e formato da câmara de secagem, na localização das entradas e saídas dos fluidos (gás de secagem e pasta de alimentação), localização da saída do produto seco, bem como do sistema de atomização, que também pode apresentar variações (sistemas rotativos, bico de pressão, duplo-fluido). As modificações na configuração deste tipo de secador são determinadas principalmente pelas características da matéria prima e/ou das especificações requeridas para o produto final.

Equipamentos que apresentem a entrada dos fluxos de ar e líquido contra corrente visam aumentar a exposição do produto com o ar quente, aumentando a remoção da água fortemente ligada ao produto e reduzindo a expansão do mesmo (AIChE, 2003), uma vez que as gotículas entram em contato com o ar menos quente, e a medida que a gotícula vai secando, o produto encontra o ar mais quente. Contudo, este processo pode ser inviável para materiais termicamente sensíveis (AIChE, 2003).

Equipamentos com entrada dos fluxos (ar e líquido) concorrentes são mais adequados para materiais termolábeis, pois a gotícula úmida entra em contato com o ar de entrada (mais quente) mantendo a temperatura do produto relativamente baixa, e a medida