PROLONGAMENTO DA DURAÇÃO DE UMA
FRAGRÂNCIA
SOFIA DE OLIVEIRA MENDES LOPES DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA
Á FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM MESTRADO INTEGRADO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Prolongamento da duração de uma fragrância
Dissertação de Mestrado
de
Sofia de Oliveira Mendes Lopes
Desenvolvida no âmbito da unidade curricular de Dissertação
realizado em
Laboratório Associado Laboratório de Processos de Separação e Reação – Laboratório de
Catálise de Materiais
Orientadores na FEUP: Doutora Patrícia Costa Co – orientadores na FEUP: Professor Alírio Rodrigues Professor José Miguel Loureiro
Agradecimentos
Um percurso académico de 5 anos está a chegar ao fim e muitas foram as pessoas que o fizeram lado a lado comigo.
Em primeiro lugar, tenho de agradecer à minha orientadora, Doutora Patrícia Costa, por todos os momentos de dedicação e de apoio constante que demonstrou ao longo destes quase seis meses. Um muito obrigada por toda a compreensão e por todo o conhecimento transmitido. Agradeço também aos meus co-orientadores, Professor Alírio Rodrigues e Professor José Miguel Loureiro, a oportunidade de ter elaborado e desenvolvido a minha dissertação no LSRE-LCM e por todo o acompanhamento prestado.
Agradeço a todos os meus amigos que me acompanharam incansavelmente nesta caminhada. Um obrigada muito especial à Ana Isabel Monteiro e à Joana Pereira por todos os momentos que partilhamos no laboratório E403-A. Sem o vosso apoio e sem as vossas palavras de conforto e de incentivo, tudo teria sido muito mais difícil. Obrigada ao Diogo Silva e à Catarina Moreira por tornarem a pausa de almoço num momento de descanso e de descontração. Todos vocês fizeram parte da minha vida académica e farão parte da minha vida futura certamente.
Quero agradecer à minha “companheira de laboratório” de sempre, Rafaela, que apesar da “distância” sei que tudo permanece igual e que a amizade que nos une nunca acabará.
Um grande obrigada à minha família: à minha mãe, ao meu pai, à minha gémea e à minha avó. Todo o amor, carinho e atenção que me ofereceram todos os dias, tornaram tudo mais fácil. A descontração da minha irmã fez-me olhar para os obstáculos de uma forma mais positiva.
Um obrigada muito especial ao Paulo pela paciência e pela capacidade inesgotável de me ouvir e de encontrar as palavras mais belas para me reconfortar. Obrigada por tudo, obrigada pela pessoa fantástica que és.
Obrigada a todos, Sofia Este trabalho foi financiado por: Projeto POCI-01-0145-FEDER-006984 - Laboratório Associado LSRE-LCM - financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), através do COMPETE2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI) e por fundos nacionais através da Fundação para a Ciência e a Tecnologia I.P.
Resumo
O principal objetivo desta tese consiste em encontrar uma formulação que permita prolongar a duração de uma fragrância, recorrendo ao método de microencapsulação. Para isso, foram estudadas duas abordagens: uma utilizando microcápsulas de quitosana e goma arábica como material de parede e outra utilizando quitosana e celulose. O primeiro estudo focou-se na encapsulação de uma nota de topo, uma intermédia e uma de base (sistemas perfumados ternários), considerando duas formulações: formulação 2 - limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix e formulação 3 - limoneno/di-limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina com o intuito de estudar o efeito da nota de base (conhecido como um fixador) na libertação das moléculas odoríferas. Um sistema perfumado simples, contendo limoneno (formulação 1) foi considerado, a fim de servir de comparação para as outras formulações.
As microcápsulas produzidas foram caracterizadas quanto à sua morfologia e diâmetro médio. Recorrendo à técnica de cromatografia gasosa foi possível quantificar o limoneno, o di-hidrojasmonato de metil, o vertofix e a vanilina encapsulados obtendo-se, assim, as eficiências de encapsulação de cada um deles. A última técnica mencionada permitiu também estudar a libertação ao longo do tempo de cada um dos compostos presentes nos sistemas formulados.
Quanto à segunda abordagem, que visa a utilização da quitosana e celulose como material de parede, o estudo focou-se na dissolução da celulose uma vez que, devido à sua estrutura química, este é um polímero de difícil dissolução.
Este trabalho permitiu concluir que a formulação contendo vanilina como nota de base, foi a que demonstrou um efeito mais prolongado na libertação dos compostos encapsulados. Relativamente à celulose, foi possível dissolvê-la de forma eficaz em duas soluções distintas: uma solução ácida constituída por H2SO4, glicerol e água e uma solução básica composta por LiOH, ureia e água, sendo que, nesta última, a temperatura de congelação mais eficaz foi de -80 ºC.
Abstract
The main goal of this thesis is to find a formulation that allows obtaining long lastingness scents, using the microencapsulation method. For that, two methods were studied: the first one using microcapsules with polymer shell constituted by chitosan and arabic gum and the second one using chitosan and cellulose as shell material. The first approach focused on the encapsulation of a top, a middle and a base note (ternary perfumed system), considering two formulations with different base notes: formulation 2 - limonene/methyl dihydrojasmonate/methyl cedryl ketone and formulation 3 - limonene/methyl dihydrojasmonate/ vanillin, in order to study the effect of the base note (known as a fixative) on the release of the odorant molecules. A single fragrance system, containing limonene (formulation 1), was considered for comparison purposes. Microcapsules were characterized in terms of morphology diameter average. The gas chromatography was used to quantify encapsulated limonene, methyl dihydrojasmonate, methyl cedryl ketone and vanillin, to allow acquiring the encapsulation efficiencies of each odorant component. The last technique also allowed studing the release of the components present in the formulated systems over time.
Regarding the second approach, aiming the use of chitosan and cellulose as a shell material, the study focused on the dissolution of cellulose since, due to its chemical structure, it is a difficult to dissolve it. At the end of the work, it was concluded that the formulation containing the vanillin as base note allowed a reduced release of the encapsulated compounds. Regarding to cellulose, it was possible to dissolve it effectively in two different solutions: an acid solution composed of H2SO4, glycerol and water, and a basic one of Lioh, urea and water, when a freezing temperature of -80 was used.
Declaração
Declaro, sob o compromisso de honra, que este trabalho é original e que todas as contribuições não originais foram devidamente referenciadas com identificação da fonte.
Índice
1 Introdução... 1
1.1 Relevância e Motivação ... 1
1.2 Objetivos e organização da tese ... 2
2 Contexto e Estado de Arte... 3
2.1 Produtos Perfumados... 3 2.2 Fragrâncias ... 4 2.2.1 Moléculas Odoríferas ... 4 2.3 Microencapsulação... 7 2.3.1 Definição ... 7 2.3.2 História e aplicações... 8 2.3.3 Microcápsulas... 8 2.3.4 Métodos de microencapsulação... 9
2.3.5 Fatores que influenciam a eficiência de encapsulação ... 11
2.4 Polímeros biodegradáveis: material de parede das microcápsulas ... 12
2.4.1 Quitosana... 13 2.4.2 Goma Arábica... 14 2.4.3 Celulose ... 14 3 Materiais e Métodos ... 16 3.1 Materiais... 16 3.2 Métodos experimentais... 19
3.2.1 Morfologia das microcápsulas... 21
3.2.2 Análise do tamanho das partículas ... 22
3.2.3 Determinação do conteúdo sólido ... 22
3.2.4 Eficiência de encapsulação... 23
3.2.5 Cromatografia gasosa ... 23
3.2.6 Estudo da libertação das fragrâncias ao longo do tempo... 24
3.2.7 Dissolução da celulose ... 24
4.1 Morfologia das microcápsulas... 26
4.1.1 Microscopia ótica ... 26
4.1.2 Microscópio eletrónico de varrimento (SEM)... 27
4.2 Análise do tamanho das microcápsulas... 29
4.3 Conteúdo sólido... 32
4.4 Eficiência de encapsulação... 32
4.5 Estudo da libertação das fragrâncias ao longo do tempo... 34
4.6 Celulose... 36
4.6.1 Solvente: NaOH/ureia/água... 36
4.6.2 Solvente: H2SO4/glicerol/água... 37
4.6.3 Solvente: LiOH/ureia/água... 37
5 Conclusões ... 39
6 Avaliação do trabalho realizado ... 40
6.1 Limitações e Trabalho Futuro ... 40
Referências ... 41
Anexo 1 ... 46
Lista de Figuras
Figura 1 Estruturas quirais da molécula de limoneno (61)...5
Figura 2 Estrutura química do di-hidrojasmonato de metil. ...5
Figura 3 Estrutura química do vertofix. ...6
Figura 4 Estrutura química da vanilina. ...7
Figura 5 Diferentes morfologias de microcápsulas (1). ...8
Figura 6 Mecanismos de libertação do agente ativo (3). ...9
Figura 7 Representação esquemática do processo de coacervação (5). ...11
Figura 8 Fatores que influenciam a eficiência de encapsulação (5)...12
Figura 9 Estrutura química da a) quitina e b) quitosana (2). ...13
Figura 10 Estrutura química da goma arábica. ...14
Figura 11 Estrutura química da celulose (4)...15
Figura 12 Pasta de celulose (processo químico de sulfato). ...17
Figura 13 Pasta de celulose triturada (processo químico de sulfito). ...18
Figura 14 Microscópio ótico, Leica DM 2000. ...21
Figura 15 Microscópio Eletrónico de Varrimento ambiental, de alta resolução (Schottky). ...22
Figura 16 Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter LS 230...22
Figura 17 Equipamento de cromatografia gasosa. ...24
Figura 18 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno. ...26
Figura 19 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix. ...27
Figura 20 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina. ...27
Figura 21 Microscopia eletrónica das microcápsulas contendo limoneno. ...28
Figura 22 Microscopia eletrónica das microcápsulas contendo limoneno com as respetivas dimensões...28
Figura 23 Microscopia eletrónica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix...29
Figura 24 Microscopia eletrónica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina. ...29
Figura 25 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno (formulação 1) em volume...30
Figura 26 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno (formulação 1) em número. ...30
Figura 27 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix (formulação 2) em volume...30
Figura 28 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix (formulação 2) em número. ...31
Figura 29 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina (formulação 3) em volume...31
Figura 30 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina (formulação 3) em número. ...31
Figura 31 Perfil de libertação cumulativa do limoneno das microcápsulas dos três sistemas perfumados estudados. ...34
Figura 32 Perfil de libertação cumulativa do di-hidrojasmonato de metil das microcápsulas dos sistemas perfumados ternários (formulação 2 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix e formulação 3 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina)...35
Figura 33 Perfil de libertação cumulativa do vertofix das microcápsulas da formulação 2: limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix. ...35
Figura 34 Perfil de libertação cumulativa da vanilina das microcápsulas da formulação 3: limoneno/di-hidrojasmonato de
metil/vanilina. ...36
Figura 35 Imagem da solução de celulose ao microscópio ótico usando o solvente NaOH/ureia/água...36
Figura 36 Dissolução da celulose num meio ácido. ...37
Figura 37 Imagem da solução de celulose ao microscópio ótico usando o solvente H2SO4/glicerol/água. ...37
Figura 38 Imagens da solução de celulose ao microscópio ótico diferindo a temperatura de congelação e com 1 ciclo: ..38
Figura 39 Imagens da solução de celulose ao microscópio ótico diferindo a temperatura de congelação e com 2 ciclos: A -T= -80 ºC e B - -T= -30 ºC...38
Figura 40 Imagens da solução de celulose ao microscópio ótico com 4 ciclos (T=-80 ºC)...38
Figura 41 Reta de calibração do limoneno. ...46
Figura 42 Reta de calibração do di-hidrojasmonato de metil. ...46
Figura 43 Reta de calibração da vanilina. ...47
Figura 44 Reta de calibração do vertofix. ...47
Figura 45 Perfil da massa libertada de limoneno no sistema perfumado simples (formulação 1) com minicial= 0,898 g...48
Figura 46 Perfil da massa libertada de limoneno no sistema perfumado ternário (Formulação 2 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix) com minicial= 0,177 g...49
Figura 47 Perfil da massa libertada de di-hidrojasmonato de metil no sistema perfumado ternário (Formulação 2 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix) com minicial= 0,136 g...49
Figura 48 Perfil da massa libertada de vertofix no sistema perfumado ternário (Formulação 2 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix) com minicial= 0,451 g...49
Figura 49 Perfil da massa libertada de limoneno no sistema perfumado ternário (Formulação 3 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina) com minicial= 0,145 g. ...49
Figura 50 Perfil da massa libertada de di-hidrojasmonato de metil no sistema perfumado ternário (Formulação 3 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina) com minicial= 0, 101 g...49
Figura 51 Perfil da massa libertada de vanilina no sistema perfumado ternário (Formulação 3 – limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina) com minicial= 0,464 g. ...49
Lista de Tabelas
Tabela 1 Solventes utilizados na dissolução da celulose...15
Tabela 2 Descrição dos reagentes usados no processo de produção de microcápsulas de quitosana e goma arábica. ...16
Tabela 3 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com NaOH/ureia/água...17
Tabela 4 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com H2SO4/glicerol/água...17
Tabela 5 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com LiOH/ureia/água. ...17
Tabela 6 Fórmula molecular, peso molecular, composição molar e coeficiente de partição dos agentes encapsulados (19)...18
Tabela 7 Percentagem de conteúdo sólido obtida para as três formulações estudadas...32
Notação e Glossário
C Concentração g/L
log P Coeficiente de partição
m massa g
M Peso Molecular g/mol
P Pressão de vapor Pa V Volume L x Composição molar Índices i Componente sn Sobrenadante Lista de Siglas GA Goma Arábica
LSRE-LCM Laboratório Associado Laboratório de Processos de Separação e Reação – Laboratório de Catálise de Materiais
1 Introdução
1.1 Relevância e Motivação
As fragrâncias químicas são usadas em numerosos produtos com o objetivo de torná-los mais atrativos para o consumidor. Elas são adicionadas a produtos como, detergentes para a roupa, sabões, champôs, desodorizantes e perfumes (6). No entanto, as fragrâncias são misturas complexas de substâncias voláteis cuja qualidade sensorial pode ser alterada devido a fatores como temperatura, oxidação durante o armazenamento, volatilização ou interações químicas entre os componentes presentes no produto. Uma vez que os produtos perfumados são muito procurados, sobretudo os de longa duração, é de todo o interesse procurar estratégias capazes de reter as fragrâncias por mais tempo. A microencapsulação surge, assim, como um método eficaz para aumentar a durabilidade das fragrâncias (7). Do processo de microencapsulação, resultam pequenas partículas de diâmetro compreendido entre 1-1000 µm chamadas microcápsulas. Estas têm a capacidade de melhorar a eficiência dos componentes encapsulados ou trazer outras vantagens para diversos produtos como os têxteis oferecendo-lhes, por exemplo, propriedades repelentes, odoríferas ou antimicrobianas (8). Para além da proteção que conferem às fragrâncias contra agentes físicos e químicos, a microencapsulação é, muitas vezes, utilizada com o intuito de prolongar a duração de um perfume, uma vez que previne a evaporação de compostos voláteis (9).
Define-se um perfume como uma solução composta por uma mistura complexa de diferentes moléculas odoríferas (que podem ser naturais ou sintéticas), por estabilizadores e por uma matriz de solvente (10), resultando desta combinação um odor agradável e expressivo. Um perfume é constituído por três notas de fragrância, classificadas de acordo com a sua volatilidade: notas de topo, intermédias e de base. Pertencem às notas de topo os componentes mais voláteis e, por isso, estas são responsáveis por oferecer ao perfume um odor muito agradável, por exemplo, no momento de abertura do frasco. O potencial comprador é facilmente influenciado pelo cheiro transmitido por esta nota (12). As notas intermédias são fortemente sentidas durante poucas horas, mas só após as notas de topo desaparecerem. Por último, surgem as notas de base como sendo as menos voláteis e com a capacidade de durarem muitas horas ou mesmo dias (11). As últimas mencionadas são determinantes para o sucesso do perfume uma vez que conseguem fixar os componentes mais voláteis (10), reduzindo a sua velocidade de evaporação. Este facto garante uma maior durabilidade do perfume, garantindo a estabilidade e a intensidade do mesmo (9). Ao criar um perfume, deve existir um equilíbrio correto das proporções de cada nota (11). Segundo o famoso perfumista Carles (1962), as proporções recomendadas de cada nota na formulação de um perfume são 15 a 25% para as notas de topo; as notas intermédias devem representar 20 a 40% e as notas de base devem corresponder a uma percentagem de 45 a 65% da composição do perfume (12).
1.2 Objetivos e organização da tese
O objetivo desta tese consiste em encontrar, recorrendo ao método de microencapsulação, uma formulação que permita prolongar a duração de uma fragrância. Para isso, foram estudadas duas abordagens: uma utilizando microcápsulas de quitosana e goma arábica e outra utilizando quitosana e celulose como materiais de parede.
Assim, o trabalho desenvolvido foca-se no estudo de três formulações diferentes para ver qual delas apresenta maior durabilidade. São elas: formulação 1 – sistema perfumado simples que contém apenas limoneno; formulação 2 - hidrojasmonato de metil/vertofix e formulação 3 - limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina. O estudo destes três sistemas permitirá compreender a influência da presença de notas intermédias e de base na libertação da nota de topo, o limoneno. Além disso, com a utilização de duas notas de base distintas, o vertofix e a vanilina, conseguir-se-á estudar o efeito da estrutura química de cada uma delas nas interações moleculares com os outros componentes encapsulados, influenciando assim a velocidade de libertação destes. As microcápsulas serão produzidas a partir do método de coacervação complexa já testado (2).
De forma a averiguar a morfologia das microcápsulas produzidas serão usadas duas técnicas de caracterização: a microscopia ótica e a microscopia eletrónica de varrimento. A partir do equipamento
Beckman Coulter Laser Diffraction Particle Size Analyzer LS 230 será possível determinar o diâmetro
médio das microcápsulas e a técnica de cromatografia gasosa permitirá quantificar o limoneno, o di-hidrojasmonato de metil, o vertofix e a vanilina encapsulados obtendo-se, assim, as eficiências de encapsulação de cada um deles. A última técnica mencionada permitirá, ainda, o estudo da libertação ao longo do tempo de cada um dos compostos em cada sistema formulado.
Quanto à aplicação da quitosana e celulose como material de parede, o estudo desenvolvido irá focar-se na dissolução da celulose.
Esta tese resume-se a seis capítulos. No Capítulo 1 “Introdução” são apresentadas a relevância e motivação bem como os principais objetivos e a estrutura base da tese. No Capítulo 2 “Contexto e Estado da Arte” é realizada uma abordagem dos conceitos relevantes ao tema, desde a apresentação dos compostos ativos encapsulados e dos materiais de parede até às técnicas de microencapsulação e mecanismos de difusão. No Capítulo 3 “Materiais e Métodos” encontra-se a informação relativa aos reagentes usados, aos procedimentos adotados durante o trabalho experimental e às técnicas de caracterização. Para além disso, são descritos métodos de dissolução da celulose. Os resultados obtidos e a sua discussão encontram-se descritos no Capítulo 4 “Resultados e Discussão”. Já no Capítulo 5 “Conclusões” apresentam-se as principais conclusões e no Capítulo 6 “Avaliação do trabalho realizado” é apresentada uma apreciação final ao trabalho desenvolvido, nomeadamente os objetivos atingidos e são propostos trabalhos futuros na área. Por fim, todos os conteúdos que suportam este trabalho estão referenciados em Referências.
2 Contexto e Estado de Arte
2.1 Produtos Perfumados
O interesse humano por odores agradáveis remonta à antiguidade clássica onde a utilização de produtos perfumados surgia como uma marca de distinção e de riqueza. Por exemplo, o império romano usava água perfumada no banho e os índios já apreciavam o cheiro do incenso e de flores de jasmim. Ao longo dos anos, os métodos de recolha de fragrâncias foram refinados e aromas de todas as combinações possíveis foram capturados e utilizados em várias ocasiões por diferentes culturas (13). O número de diferentes tipos de fragrâncias (naturais e sintéticas) tem crescido acentuadamente, constituindo eles próprios, produtos de alto valor acrescentado para aplicação em diferentes produtos (14). As fragrâncias fazem parte da composição de inúmeros produtos como, por exemplo, cosméticos, cremes e detergentes (6) com o intuito de proporcionar sensações agradáveis ao consumidor em diferentes áreas como saúde, bem-estar e beleza (15). Nos últimos anos, temos assistido a um crescente aumento da procura por produtos perfumados por parte da população em geral. De facto, são raras as pessoas que dispensam o uso de produtos com fragrâncias na sua composição. Uma das principais razões prende-se com a capacidade que as fragrâncias possuem de nos conduzir, muitas vezes, a memórias, pessoas ou lugares. É também uma identidade; desde o odor floral ao frutado, passando pela sensação de maior frescura ou de maior intensidade, o perfume escolhido por cada um tem uma relevância social, ajudando assim a definir a sua identidade e a demonstrar traços desejáveis como elegância, inteligência ou competência (16) .
A área de neuroanatomia explica a razão dos estímulos transmitidos pelo odor influenciarem de maneira significativa as emoções sentidas. Isto deve-se ao facto de existirem apenas duas sinapses que separam o nervo olfativo da amígdala, que é uma estrutura que influencia diretamente a memória humana (17). Assim, muitas das nossas preferências olfativas são baseadas puramente em associações emocionais. Apesar de se revelar o sentido mais lento, cada indivíduo tem a capacidade de distinguir muitos odores diferentes já experimentados anteriormente. O facto de existirem mais de 5 milhões de neurónios olfativos na cavidade nasal, permite a deteção de mais de 10 mil odores diferentes (13).
É de referir que se registou um crescimento significativo na utilização de ambientadores em espaços como hotéis, centros comerciais, casinos e restaurantes com o intuito de proporcionar ao cliente um estado de tranquilidade que se reflete num estado de humor mais positivo. Especialistas na área de marketing olfativo acreditam que isto leva a um aumento das receitas desses mesmos espaços (13).
Sentir um cheiro familiar e agradável traz felicidade a quem o experimenta. O cheiro a maresia, o cheiro de terra molhada e o cheiro de um bolo a sair do forno são exemplos de cheiros inconfundíveis e que oferecem uma sensação de bem-estar indescritível, influenciando o estado de espírito de cada indivíduo. Cada pessoa tem o seu cheiro preferido, aquele que lhe suscita memórias ou aquele que tem a capacidade de proporcionar uma sensação de calma ou até mesmo despertar em cada um, um sentimento de confiança. Em suma, uma
fragrância não é apenas mais um ingrediente na formulação de um qualquer produto, mas um elemento essencial que influenciará a sua compra.
2.2 Fragrâncias
As fragrâncias são parte fundamental na constituição de um perfume. Este pode ser pulverizado na pele ou até mesmo na roupa e sofre posteriormente um processo de evaporação, devido à elevada volatilidade dos vários componentes que o constituem (18).
Para formular um perfume, deve-se combinar três tipos de notas, nomeadamente notas de topo, intermédia e de base, de acordo com o seu peso na composição de um perfume (19). As notas de topo são as que representam menor percentagem na composição de um perfume (15-25%) e englobam os compostos mais voláteis, sendo, por isso, sentidas nos primeiros minutos após aplicação e caracterizam-se pelo seu cheiro fresco, cítrico, verde e limpo. Quando as notas de topo começam a desaparecer gradualmente, surgem as notas intermédias. Estas apresentam odor frutado, floral, oriental e picante e representam uma percentagem de 20 a 40% na estrutura de um perfume. São designadas como o “coração do perfume” (20). Por fim, o odor sentido altera-se lentamente com o tempo para as notas de base que têm a menor volatilidade e alto peso molecular. Caracterizam-se por atribuir ao perfume um odor doce, quente e amadeirado. Embora o seu aroma possa ser detetado logo após a aplicação, estas têm a capacidade de durar mais tempo (21). Na pirâmide que define a composição de um perfume, estas aparecem com a maior contribuição (45-65%). As notas de base são usadas frequentemente como fixadores, influenciando assim a tendência de evaporação dos componentes odoríferos que se encontram na mesma formulação, permitindo que o perfume dure por mais tempo (10, 14).
2.2.1 Moléculas Odoríferas
a) Limoneno
Uma das notas de topo que apresenta um papel de destaque, essencialmente na indústria da cosmética, é o limoneno (Figura 1). Esta molécula apresenta uma substantividade de 4 horas (55), ou seja, quando aplicada na pele o seu odor é sentido durante 4 horas (22). O limoneno é um monoterpeno monocíclico quiral com odor a laranja ou limão, dependendo se é (R)-limoneno ou (S)-limoneno, respetivamente (23). Este componente faz parte da constituição de vários óleos cítricos como, por exemplo, laranja, limão, lima e toranja. Devido ao seu agradável odor cítrico, o limoneno é amplamente utilizado como aditivo de sabor em alimentos e bebidas e como fragrância em perfumes, sabões, etc. (24).
Figura 1 Estruturas quirais da molécula de limoneno (61).
O limoneno é um óleo incolor com pouca solubilidade em água (13,8 mg/L a 25 ºC) (25). Esta molécula destaca-se igualmente pela sua forte capacidade antimicrobiana devido à sua estrutura química que permite, por exemplo, penetrar na parede lipídica das células das bactérias (26).
Como esta molécula odorífera apresenta uma elevada volatilidade, recorre-se geralmente ao método de microencapsulação para evitar a sua rápida evaporação e protegê-la de agentes físicos e químicos como o calor, a oxidação ou a humidade. A encapsulação do limoneno já foi testada diversas vezes a partir de diferentes técnicas de microencapsulação. Com o intuito de aplicar esta molécula odorífera em têxteis recorreu-se à coacervação simples (8), coacervação complexa (27), polimerização interfacial (28) e spray
drying (29).
b) Di-hidrojasmonato de metil
Relativamente à nota intermédia, di-hidrojasmonato de metil (Figura 2), esta apresenta-se como um líquido oleoso amarelado ou quase incolor com propriedades olfativas notáveis; possui um odor quente, doce-floral, frutado onde predomina o odor a jasmim (30). Revela uma substantividade de 72 horas (56).
É de notar que este componente foi identificado pela primeira vez como produto natural num concentrado de aroma de chá preto sob a forma de (±)-trans-di-hidrojasmonato de metil (31). Pode ser encontrado em cosméticos, champôs, sabonetes ou até mesmo em detergentes (30).
c) Vertofix
O vertofix (Figura 3) é encontrado em muitas formulações de perfumaria e de sabões (32) e apresenta um odor amadeirado e oriental (19). O óleo de vertofix é considerado um dos óleos mais complexos (33). Caracteriza-se por ser um líquido oleoso de cor amarelada e que revela uma substantividade bastante elevada de 400 horas (57). O óleo essencial do vertofix [Vetiveria zizanoides (L.) Nash ex. Small] é amplamente utilizado na indústria de perfumes, devido ao seu aroma agradável e duradouro. Se esta molécula for microencapsulada, a duração efetiva das suas propriedades deve ser prolongada por um período de tempo muito mais longo e, sendo uma nota de base, tem a capacidade de reter os compostos mais voláteis na fase líquida (33).
Figura 3 Estrutura química do vertofix.
É de referir que já foram reportados vários estudos que envolveram a microencapsulação do verttofix recorrendo, por exemplo, ao método de coacervação complexa (34) e ao método de polimerização interfacial (35).
d) Vanilina
A vanilina (Figura 4) é uma das fragrâncias aromatizantes mais populares do mundo, com aplicações extensivas na indústria alimentar, de perfumes e farmacêutica, possuindo também propriedades antioxidantes, anti-cancerígenas e anti-mutagénicas (58).
A vanilina é, neste momento, cultivada em vários países tropicais, mas os principais produtores localizam-se no México, Madagáscar e Indonésia. Devido ao elevado custo que o processo de cultivo e de colheita da orquídea de baunilha acarreta, a maior parte da vanilina utilizada é sintetizada quimicamente. Na verdade, a vanilina natural representa menos de 1% da vanilina total produzida em todo o mundo (36). Com aparência de um pó branco, esta molécula apresenta uma substantividade de 400 horas (59).
Existem diversas publicações que descrevem diferentes métodos de microencapsulação deste componente. Alguns dos estudos realizados consistiram na utilização de um processo não térmico de spray-freeze-drying (37) e da técnica de inversão de fases por imersão-precipitação (38) .
2.3 Microencapsulação
Tal como foi referido anteriormente, algumas moléculas presentes na composição de um perfume exibem alta volatilidade e a sua qualidade sensorial pode ser modificada como resultado da temperatura, oxidação e interações químicas quando estas são expostas à atmosfera. Estes efeitos conseguem alterar drasticamente a qualidade dos produtos perfumados, afetando a sua estabilidade (39). Segundo Herrmann (2007), a performance de um produto perfumado é avaliada com base na sua qualidade de odor e na longevidade de perceção da fragrância. De modo a garantir este dois fatores, várias tecnologias têm sido amplamente testadas, sendo a microencapsulação das mais utilizadas (6).
2.3.1 Definição
A microencapsulação é uma técnica onde gotículas líquidas, partículas sólidas ou compostos gasosos são aprisionados num agente encapsulante. Tais compostos, normalmente designados por agentes ativos, são totalmente envolvidos num material de revestimento ou incorporados numa matriz homogénea ou heterogénea, com o objetivo de formar pequenas cápsulas com muitas propriedades úteis (40). O núcleo da microcápsula contém o agente ativo, enquanto que a parede da cápsula protege o núcleo do ambiente exterior. Para além de promover o isolamento e imobilização dos compostos encapsulados, a microencapsulação tem sido investigada devido à sua capacidade de:
garantir uma libertação controlada dos componentes encapsulados através do controlo da velocidade de libertação (9);
fornecer proteção contra decomposição oxidativa provocada pela exposição à luz, calor e humidade (9);
mascarar propriedades indesejadas das substâncias como a cor, sabor e odor (41);
prolongar as características sensoriais das fragrâncias (41);
oferecer segurança no manuseamento de materiais tóxicos (40).
2.3.2 História e aplicações
A microencapsulação foi primeiramente introduzida na década 30. No entanto, a primeira aplicação em grande escala de microcápsulas é datada nos anos 50, quando a companhia americana National Cash
Register (NCR) usou a técnica de coacervação complexa para desenvolver papel autocopiativo. Hoje em
dia, a microencapsulação apresenta inúmeras aplicações em áreas tão distintas como a indústria alimentar, têxtil, farmacêutica, cosmética e agroquímica (15). Na área têxtil é de destacar que a tecnologia de microencapsulação está a ser utilizada no desenvolvimento de produtos têxteis inovadores, a fim de promover uma libertação de fragrância de longa duração. Um estudo levado a cabo por Rodrigues et al. (35) confirma que a impregnação de tecidos com cápsulas contendo perfume possibilitou a perceção do odor por vários dias e após várias lavagens, concretamente, o odor era mantido após cinco ciclos de lavagem. Outro estudo mostrou uma libertação de fragrância de longa duração em toalhas de algodão onde foi aplicado um amaciador de tecidos contendo fragrância microencapsulada (42). Outra área que demonstra resultados de elevado interesse é a indústria alimentar, onde se pode destacar a existência de vários estudos baseados na microencapsulação, por exemplo, de β-galactosidase com o objetivo de permitir a hidrólise da lactase na presença de fluido gástrico (40).
2.3.3 Microcápsulas
As microcápsulas são pequenas partículas com um diâmetro compreendido entre 1 e 1000 µm que apresentam uma membrana polimérica natural ou sintética a revestir um agente ativo (9). Estas podem apresentar uma grande variedade de formas, tais como irregular, de parede simples ou múltipla, polinuclear e matriz. As diferentes morfologias anteriormente designadas são apresentadas na Figura 5 (1).
Tal como o nome indica, uma microcápsula de parede simples apresenta apenas uma camada de parede e uma múltipla possui duas ou mais paredes a funcionarem como material de revestimento. Quanto a uma morfologia irregular, significa que a microcápsula não tem uma forma bem definida. Já no caso de uma morfologia polinuclear, significa que a microcápsula contém vários núcleos e estes encontram-se cercados pela mesma membrana. Quando a microcápsula é do tipo matriz, esta indica que os princípios ativos estão integrados dentro da matriz do material de parede. Conforme a estrutura da microcápsula, é possível definir dois tipos de mecanismo de libertação do agente ativo, como mostra a Figura 6. Em a), o agente ativo é retido num compartimento central rodeado por uma membrana polimérica através da qual difunde, o que permite um controlo da velocidade de libertação. É designada difusão controlada de um sistema do tipo reservatório e a membrana só se degrada aquando da libertação total do princípio ativo. Num sistema matricial, como se encontra representado em b), não se verifica uma separação bem definida e, por isso, não há um controlo na libertação do agente ativo (3).
a) b)
Figura 6 Mecanismos de libertação do agente ativo (3).
2.3.4 Métodos de microencapsulação
A seleção da técnica de microencapsulação depende das propriedades físico-químicas do material a encapsular, concentração, tamanho de partícula desejada, custos de manufatura e, também muito importante, da aplicação final do produto (9, 43).
Relativamente às técnicas de microencapsulação, estas podem ser divididas em três grandes grupos: químicas, físico-mecânicas e físico-químicas. Relativamente às técnicas físico-químicas destaca-se a coacervação pela sua grande aplicabilidade em distintas áreas. Para além de proporcionar uma elevada eficiência de encapsulação, esta técnica é capaz de desencadear uma libertação controlada baseada na temperatura, em mecanismos mecânicos ou até mesmo em mecanismos biológicos (44).
Coacervação
A coacervação oferece numerosas possibilidades para a encapsulação de vários tipos de agentes ativos (líquidos ou sólidos). Revela-se bastante útil em muitos setores industriais tais como alimentar, cosmética ou farmacêutica (9). A técnica de coacervação pode ser divida em dois grupos principais: aquosa que é usada para encapsular materiais insolúveis em água (materiais hidrofóbicos presentes em estado líquido ou sólido) e orgânica que permite a encapsulação de materiais hidrossolúveis, mas que requer o uso de solventes orgânicos. No entanto, a coacervação em fase aquosa pode ser classificada em simples e complexa, de acordo com o mecanismo de separação de fase envolvido (9):
Coacervação simples: É induzida por uma mudança nas condições, através da adição de
um não-solvente miscível em água, aumento/diminuição da temperatura ou alteração do pH (9) que causam a dessolvatação do material de parede (15) ou o polímero é salgado recorrendo a um eletrólito como o sulfato de sódio. Estas condições favorecem as interações macromolécula-macromolécula em detrimento das existentes entre macromolécula e solvente (9). Este método apresenta uma elevada eficiência de encapsulação, mas revela-se um método caro (15).
Coacervação complexa: É definida como um processo de separação de fase fluido-fluido
que ocorre como resultado da atração electroestática entre dois polímeros de cargas opostas. Poderá também envolver ligações de hidrogénio e interações hidrofóbicas entre os polímeros de carga oposta. A separação de fase ocorre devido à alteração do pH ou da temperatura, ou devido à adição de uma solução de eletrólito. As duas fases obtidas resultam da separação entre a fase que contém o coacervado (fase rica em material de parede e no princípio ativo, ou seja, as microcápsulas já formadas) e a fase aquosa rica em solvente, onde poderá estar o material não encapsulado (2).Esta técnica comprime os cinco passos seguintes (39):
Dissolução: criação de uma solução aquosa que contém os dois polímeros a uma temperatura e pH acima dos seus pontos de gelificação;
Emulsificação/Dispersão: formação da emulsão óleo-em-água, na qual há dispersão do óleo numa solução aquosa. Tipicamente, a emulsão é estabilizada com auxílio de um agente tensioativo ou por um dos polímeros;
Coacervação: com a alteração das condições de reação (por exemplo, decréscimo do pH), os dois polímeros interagem através de atração electroestática e forma-se um complexo que deverá depositar-se sobre as gotas oleosas do núcleo. O pH é um dos parâmetros importantes nesta fase, uma vez que afeta diretamente a ionização do grupo funcional dos polímeros;
Endurecimento: um agente endurecedor é usado para estabilizar a estrutura da parede das microcápsulas;
Lavagem/Filtração/Secagem: O agente de endurecimento e o óleo residual que não foi encapsulado ou adsorvido na superfície são lavados através de um processo de decantação ou centrifugação. Depois, as cápsulas são secas para obter uma amostra na forma de pó.
Na Figura 7 é representado esquematicamente o método de coacervação (5).
Figura 7 Representação esquemática do processo de coacervação (5).
Esta técnica conduz à formação de partículas de tamanho 5-200 µm e permite obter uma elevada eficiência de encapsulação e um eficiente controlo do tamanho da partícula. Adicionalmente, a mesma garante proteção contra reações de degradação, previne a perda de ingredientes aromáticos voláteis, controla a velocidade de libertação e melhora a estabilidade dos materiais a encapsular. No entanto, apresenta algumas limitações, entre as quais, a possibilidade de aglomeração das partículas, de oxidação do produto e a possibilidade de dissolução dos compostos ativos. Em certos casos, a estabilização das microcápsulas usando elevadas temperaturas e valores extremos de pH pode limitar, quimicamente e termodinamicamente, a utilização de materiais como proteínas e polipéptidos (15).
2.3.5 Fatores que influenciam a eficiência de encapsulação
Fatores que influenciam a eficiência de encapsulação
↓
Solidificação das micropartículas lenta ↓
Baixa eficiência de encapsulação
↓
Solidificação das micropartículas rápida ↓
Elevada eficiência de encapsulação
Figura 8 Fatores que influenciam a eficiência de encapsulação (5).
2.4 Polímeros biodegradáveis: material de parede das microcápsulas
Existe uma grande variedade de polímeros sintéticos ou naturais que podem servir como material para a parede das microcápsulas. Estes podem revelar-se mais ou menos vantajosos dependendo das propriedades físicas e químicas do agente ativo, do método utilizado para formar as micropartículas e da aplicação final pretendida (45). Para a encapsulação de fragrâncias, o polímero escolhido não deverá apresentar reatividade com o material de núcleo. Para além disso, deve apresentar uma forma que permita um fácil manuseamento, ou seja, deve ter baixa viscosidade a elevadas concentrações permitindo uma eliminação completa do solvente em processos que requerem uma fase de dessolvatação. Deve ter a capacidade de oferecer a máxima proteção do agente ativo contra fatores externos, garantir boas propriedades de emulsão-estabilização e um comportamento efetivo com o objetivo de libertar os compostos ativos em tempo e lugar desejados (7). Os agentes encapsulantes podem ser subdivididos de acordo com a sua origem: naturais, semi-sintéticos e sintéticos. Relativamente aos primeiros destacam-se a gelatina, a goma, a quitosana, a sacarose e a celulose; nos semi-sintéticos encontram-se o acetato de celulose, o etilcelulose e o carboximetilcelulose de sódio e os sintéticos englobam os polímeros do ácido acrílico e co-polímeros (45).
Alta solubilidade do polímero em solvente orgânico; Baixa solubilidade do solvente
orgânico em água; Baixa concentração do polímero;
Lenta velocidade de remoção do solvente.
Baixa solubilidade do polímero em solvente orgânico;
Alta solubilidade do solvente orgânico em água;
Alta concentração do polímero; Rápida velocidade de remoção do
2.4.1 Quitosana
A quitina (Figura 9a) é o segundo polímero natural mais abundante na natureza depois da celulose e é encontrado na estrutura de uma grande variedade de invertebrados (por exemplo, crustáceos e exosqueleto de insetos). Ao sofrer desacetilação, origina quitosana (Figura 9b) que é um polímero policatiónico (40).
Figura 9 Estrutura química da a) quitina e b) quitosana (2).
A quitosana apresenta uma estrutura única composta por D-glucosamina e unidades N-acetilo-D-glucosamina unidas por ligações glicosídicas do tipo β-(1-4). Tem um pKaaparente entre 5.5 e 6.5 e quando a dissolução ocorre em meio ácido, os grupos amino do polímero são protonados, o que faz com que a molécula ganhe carga positiva. Com pH neutro ou básico, as moléculas de quitosana perdem a sua carga e precipitam na solução (39).
A quitosana destaca-se pelas suas características químicas e biológicas singulares, tais como a biocompatibilidade, propriedades antibacterianas, propriedades de formação de gel e hidrofilicidade. Devido à sua configuração química e às suas características como abundância, baixa toxicidade, biodegradabilidade, biocompatibilidade e atividade antimicrobiana, a quitosana é utilizada para a preparação de filmes, géis, microesferas e microcápsulas. Tem sido usada em diversas áreas como biotecnologia, cosmética, alimentação e indústria farmacêutica, como um caminho válido para a libertação de compostos ativos. A quitosana tem uma importante vantagem comparativamente com outros agentes encapsulantes, que consiste na possibilidade de estabelecer ligações covalentes e iónicas com agentes de reticulação, construindo uma rede na qual a substância ativa é retida (8).
2.4.2 Goma Arábica
É um polissacarídeo natural derivado do exsudato das árvores Acacia senegal e Acacia seyal. A maior fração de goma arábica (89%) é composta por duas cadeias: a cadeia principal - formada por unidades de D-galactopiranose unidas por ligações β-D-glicosídicas (1→3) e cadeias laterais com estruturas químicas variáveis formadas por D-galactopiranose, L-ramnose, L-arabinofuranose e ácido D-galacturónico, que as ligam à cadeia principal por ligações β (1→6) (39, 46, 47). A estrutura química da goma arábica encontra-se na Figura 10.
Figura 10 Estrutura química da goma arábica.
A sua solubilidade, baixa viscosidade, características de emulsificação e uma boa retenção e proteção de compostos voláteis fazem com que seja bastante versátil em muitos dos métodos de encapsulação (7). A utilização de goma arábica remonta ao tempo dos antigos egípcios com as primeiras aplicações a serem registadas em múmias de embalsamento, em tintas e cosméticos. Atualmente é amplamente utilizada na indústria alimentar, farmacêutica e cosmética devido às suas notáveis propriedades de estabilização, ligação, espessamento e emulsificação. É também utilizada na indústria têxtil para engrossar as pastas de impressão que são utilizadas na coloração de tecidos de celulose (2).
2.4.3 Celulose
A celulose é o polímero mais abundante do mundo e encontra-se maioritariamente nas paredes celulares das plantas superiores, de algumas algas, fungos e surge como produto extracelular de algumas bactérias (48).
Este polímero foi isolado pela primeira vez pelo químico francês Payen, em 1838, que o conseguiu extrair de plantas verdes (49). Relativamente à sua estrutura, a celulose caracteriza-se por ser um homopolímero linear composto por unidades D-anidroglucopinanose (AGU), as quais são conectadas por ligações β(1-4)-glicosídicas (Figura 11).
Figura 11 Estrutura química da celulose (4).
A celulose apresenta propriedades únicas como forte resistência mecânica, biocompatibilidade e estabilidade térmica. É de referir que as ligações de hidrogénio que possui são as responsáveis pela sua estrutura cristalina e pelo facto de a sua dissolução ser um processo complicado (50). Assim, os solventes utilizados devem ter a capacidade de quebrar estas fortes ligações de hidrogénio. Na Tabela 1 são apresentados alguns solventes capazes de dissolver a celulose.
Tabela 1 Solventes utilizados na dissolução da celulose.
Solventes
Referência
LiOH/ureia/água (50) NaOH/ureia (51) Ácido fosfórico (52) NaOH/tio-ureia/ureia (53) H2SO4/glicerol/água (60) Metais complexos (4)3 Materiais e Métodos
3.1 Materiais
Os reagentes utilizados durante a preparação das microcápsulas de quitosana e goma arábica encontram-se descritos na Tabela 2, nomeadamente o número CAS, a função que desempenham na formação das microcápsulas e a empresa que os forneceu.
Tabela 2 Descrição dos reagentes usados no processo de produção de microcápsulas de quitosana e goma arábica.
Relativamente à produção de microcápsulas de quitosana e celulose, o estudo desenvolvido focou-se na dissolução da celulose. Assim, foram realizados três procedimentos experimentais distintos. O primeiro solvente testado consistiu na utilização de um solvente de hidróxido de sódio e ureia, tal como se verifica na Tabela 3. O segundo processo envolveu uma solução aquosa de ácido sulfúrico e glicerol (Tabela 4) e o último solvente testado consistiu numa solução aquosa de hidróxido de lítio e ureia (Tabela 5).
Composto químico Número CAS Função Empresa
Goma arábica 9000-01-5 Membrana das microcápsulas Sigma Aldrich
Quitosana 9012-76-4 Membrana das microcápsulas Biolog Biotechnologie Und Logistik GmbH (R)-(+)-Limoneno 5989-27-5 Material encapsulado Sigma Aldrich Di-hidrojasmonato de
metil 24851-98-7 Material encapsulado Aldrich Vertofix 32388-55-9 Material encapsulado Ernesto Ventós Vanilina 121-33-5 Material encapsulado Sigma Aldrich Span 85 26266-58-0 Agente tensioativo Fluka Ácido clorídrico 7647-01-0 Ajuste do pH Sigma Aldrich
Ácido acético 64-19-7 Dissolução da quitosana Sigma Aldrich Ácido tânico 1401-55-4 Agente endurecedor Merck
Tabela 3 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com NaOH/ureia/água.
Tabela 4 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com H2SO4/glicerol/água.
Tabela 5 Descrição dos reagentes usados no processo de dissolução da celulose com LiOH/ureia/água.
Relativamente à celulose, foram usados dois tipos distintos deste polímero que se diferenciam pelo processo químico envolvido na sua produção. Para os dois primeiros procedimentos testados utilizou-se uma pasta de celulose resultante do processo químico de sulfato, fornecida pela Navigator Company (Figura 12).
Figura 12 Pasta de celulose (processo químico de sulfato).
Composto químico Número CAS Empresa
Hidróxido de sódio 1310-73-2 José Manuel Gomes dos Santos, LDA
Ureia 57-13-6 José Manuel Gomes dos Santos, LDA
Composto químico Número CAS Empresa
Ácido sulfúrico (96%) 7664-93-9 Applichem Panreac
Glicerol 56-81-5 Ficher Chemical
Composto químico Número CAS Empresa
Hidróxido de lítio 1310-65-2 ChemLab
Ureia 57-13-6 José Manuel Gomes dos Santos, LDA
Este processo químico envolve a utilização de grande quantidade de sulfureto e de soda e de um longo período de cozimento a temperaturas elevadas. Este processo é o mais usado a nível mundial uma vez que tem a capacidade de preservar a resistência das fibras e de dissolver de forma eficaz a lignina, formando uma pasta branqueada e forte.
Para o estudo da dissolução da celulose com a mistura de solvente de LiOH/ureia/água, utilizou-se uma celulose resultante do processo químico de sulfito fornecida pela empresa Altri, mas após sofrer um processo de trituração (Figura 13). No processo químico mencionado, a madeira é cozida em digestores com um licor ácido preparado com compostos de enxofre (SO2) e um licor básico constituído essencialmente por Ca(OH)2, NaOH e NH4OH. Caracteriza-se por apresentar uma coloração clara e é muito utilizada para a produção de papéis para imprimir e escrever (62).
Figura 13 Pasta de celulose triturada (processo químico de sulfito).
Na Tabela 6 são encontrados outros parâmetros característicos de cada componente em estudo, nomeadamente a fórmula molecular, o peso molecular, a composição molar e o coeficiente de partição.
Tabela 6 Fórmula molecular, peso molecular, composição molar e coeficiente de partição dos agentes encapsulados (19).
Componente Fórmula Molecular Peso Molecular, M (g/mol) Composição molar (xi) log P Limoneno C10H16 136,20 0,269 4,45 Di-hidrojasmonato de metil C13H22O3 226,31 0,289 2,50 Vertofix Vanilina C17H26O C8H8O3 246,39 152,13 0,442 0,442 5,17 1,19
3.2 Métodos experimentais
O processo de produção das microcápsulas em estudo englobou cinco fases principais: (1) dissolução dos polímeros, (2) emulsificação, (3) indução da coacervação complexa, (4) endurecimento das microcápsulas formadas e, por último, (5) lavagem. É de notar que o método de coacervação complexa é fortemente afetado pelo pH, sendo, por isso, um dos parâmetros fundamentais a ter em conta durante o procedimento experimental. Os polímeros usados foram quitosana e goma arábica que, a pH baixo (pH=3.5), apresentam carga positiva e carga negativa, respetivamente (2). Assim, o primeiro passo envolveu a dissolução dos biopolímeros quitosana e goma arábica. A solução de quitosana a 1,0% (m/v) foi preparada por dissolução deste polímero em ácido acético 0,1N e deixada em agitação magnética durante 15 horas para garantir dissolução completa. Relativamente à solução de goma arábica, é obtida uma solução a 2% (m/v) a partir da dissolução deste polímero em água desionizada com agitação magnética contínua a 45 ºC por 2 horas.
(1) Dissolução dos polímeros
Preparação da solução 1,0% (m/v) de quitosana
Preparação da solução 2,0% (m/v) de goma arábica (GA)
De seguida, os polímeros foram misturados e à solução resultante foi adicionada uma quantidade conhecida do material de núcleo juntamente com o agente tensioativo. É de notar que a vanilina, uma vez que à temperatura ambiente é sólida, foi dissolvida previamente em etanol. Com o auxílio do homogeneizador
(2) Emulsificação
É de notar que “A” se refere a cada sistema perfumado estudado.
O terceiro passo implicou a indução de coacervação complexa, diminuindo o pH com uma solução de HCl 0,2N. Este foi ajustado para 3,5 de forma a maximizar a carga positiva da quitosana e a carga negativa da goma arábica. Após 30 minutos de agitação contínua, a temperatura foi diminuindo gradualmente de 40 ºC para 5 ºC com a ajuda de um banho de gelo.
(3) Coacervação Complexa
O último passo envolveu o endurecimento das microcápsulas adicionando lentamente 2 mL de uma solução de ácido tânico. A suspensão de microcápsulas foi mantida a 5 ºC durante 3 horas. Por fim, as microcápsulas formadas foram recuperadas por decantação.
(5) Lavagem das microcápsulas
Foi utilizado um volume de n-hexano igual ao volume da suspensão de microcápsulas. A separação de fases é praticamente instantânea e por isso, procedeu-se de seguida à decantação. Por fim, colocou-se a suspensão de microcápsulas obtida num frasco, com 30 mL de n-hexano fresco. O mesmo foi seguidamente colocado na incubadora SI – 300R a uma temperatura de 37 ºC e a uma velocidade de rotação de 100 rpm.
3.2.1 Morfologia das microcápsulas
a) Microscopia ótica
A morfologia das microcápsulas foi avaliada com recurso a um microscópio ótico, Leica DM 2000 equipado com o software de imagem Leica Application Suite Interactive Measurement, representado na Figura 14. Para observar as microcápsulas, foram utilizadas diferentes ampliações (20× e 40×).
b) Microscópio Eletrónico de Varrimento (SEM)
As microcápsulas foram liofilizadas e de seguida revestidas com um filme fino de ouro e de paládio, por pulverização catódica (sputtering), utilizando o equipamento SPI Module Sputter Coater. O exame SEM / EDS foi realizado utilizando o Microscópio Eletrónico de Varrimento ambiental, de alta resolução (Schottky), com Microanálise por Raios X e Análise de Padrões de Difracção de Electrões Rectrodundidos: Quanta 400FEG ESEM / EDAX Genesis X4M (Figura 15).
Figura 15 Microscópio Eletrónico de Varrimento ambiental, de alta resolução (Schottky).
3.2.2 Análise do tamanho das partículas
Utilizando o equipamento Beckman Coulter Laser Diffraction Particle Size Analyzer LS 230, foi possível medir o diâmetro médio das partículas produzidas nas experiências realizadas, assim como a distribuição em número e em volume do tamanho das mesmas (Figura 16).
Figura 16 Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter LS 230.
3.2.3 Determinação do conteúdo sólido
De acordo com o European Standard EN 827 para a determinação do conteúdo sólido num adesivo à base de água, foi determinado o conteúdo sólido das microcápsulas formadas. Este cálculo envolve a massa
inicial e a massa final da amostra de microcápsulas após a evaporação da água (Equação 3.1). Assim, foi colocado num vidro de relógio cerca de um grama da suspensão de microcápsulas a analisar que, foi seguidamente seco numa estufa a 100 ºC durante 30 min. Este passo foi repetido até a diferença entre a massa inicial e a massa final não ultrapassar os 2 mg.
% Conteúdo sólido= 100
mfinalminicial (3.1)
3.2.4 Eficiência de encapsulação
A eficiência de encapsulação das microcápsulas foi determinada pela quantificação da massa não encapsulada dos componentes a encapsular através de análises no GC-FID de acordo com o procedimento abaixo descrito. Assim, foram recolhidas amostras de 4 mL de toda a suspensão às quais foram adicionados 2 mL de n-hexano puro. De seguida, a mistura foi colocada na centrífuga Centrifuge 5810 R a uma velocidade de 3000 rpm durante 5 minutos a fim de se analisar cada uma das fases do sobrenadante: fase 1 contendo n-hexano e fragrância não encapsulada e fase 2 contendo o meio sem microcápsulas e fragrância não encapsulada (0,1 µL) a fim de obter a massa total não encapsulada de cada componente. É de salientar que todas as amostras recolhidas foram filtradas recorrendo a filtros de propileno com poros de diâmetro de 0,2 µm. O valor da massa encapsulada é dada pela diferença entre a massa total inicial de componente a encapsular de acordo com cada procedimento realizado e a massa não encapsulada, tal como mostra a Equação 3.2. É correto afirmar que a quantificação da massa encapsulada de cada componente é dada por um método indireto. A Equação 3.3 permite efetuar o cálculo da massa não encapsulada.
Eficiência de encapsulação (%)= 100
mtotal- mnão encapsuladamtotal
(3.2)
não encapsulada=VsnCsn (3.3)
onde Vsn corresponde ao volume de sobrenadante e Csné a concentração do material não encapsulado no sobrenadante obtida a partir da área correspondente no cromatograma. Esta foi quantificada a partir de retas de calibração que foram previamente determinadas (Figuras 41, 42, 43 e 44 em Anexo 1).
3.2.5 Cromatografia gasosa
Para a quantificação e identificação das moléculas odoríferas, determinação da eficiência de encapsulação e libertação das fragrâncias foi utilizado um cromatógrafo gasoso Varian CP 3800 (Figura 17) equipado com a coluna RXI – 5 Sil MS com comprimento de 30 m, 0,25 mm de diâmetro interno e 0,25 µm de espessura. Estes equipamentos são controlados pela interface Saturn 2000 WS. O método usado foi devidamente estruturado para as análises em questão. Assim, cada análise teve a duração de 40 min sendo
a uma taxa de 10 ºC/min até aos 140 °C, e seguidamente, a uma taxa de 6 ºC/min até aos 290 ºC, mantendo-se a essa temperatura até ao final da análimantendo-se. O caudal do gás de arraste, que, neste caso, foi o hélio, foi de 1,2 mL/min.
Figura 17 Equipamento de cromatografia gasosa.
3.2.6 Estudo da libertação das fragrâncias ao longo do tempo
Neste estudo, avaliou-se a libertação de cada molécula odorífera. Ao longo de sete dias foram recolhidas amostras de 2 mL do líquido sobrenadante da suspensão que se encontrava na incubadora a 37 ºC e a 100 rpm. Após sua filtração com auxílio de filtros de propileno com poros de diâmetro de 0,2 µm, foi injetado no GC-FID um volume de 0,1 µL dessa mistura. A partir da área do pico correspondente a cada componente, foi possível calcular o valor percentual cumulativo de libertação de cada composto analisado. O valor desta variável foi calculado a partir do quociente entre a massa total libertada (mlibertada) do componente encapsulado e a massa inicial de cada composto presente nas microcápsulas (minicial), como mostra a Equação 3.4:
Libertação cumulativa
(%)
=
100
mmlibertadainicial
(3.4)
3.2.7 Dissolução da celulose
Procedeu-se ao estudo de três métodos de dissolução da celulose, através de três distintas misturas de solvente: NaOH/ureia/água (51), H2SO4/glicerol/água (60) e LiOH/ureia/água (50).
3.2.7.1 Dissolução da celulose com NaOH/ureia/água
Preparou-se uma solução aquosa de volume total de 200 mL de 7% (m/m) de NaOH e 12% (m/m) de ureia. Quando se adicionou água desionizada ao hidróxido de sódio, que se encontrava na forma de pérolas, verificou-se que o gobelé aqueceu, o que permite concluir que a reação é exotérmica. Esta solução foi, de seguida, filtrada com filtros de poros de tamanho 0,2 µm e foi armazenada a 5 ºC. Quando atingida esta
temperatura, 96 g desta solução foram adicionados a 4 g de celulose com agitação a 1300 rpm durante 5 minutos. De seguida, foi armazenada no congelador até atingir uma temperatura de -12,5 ºC.
3.2.7.2 Dissolução da celulose com H2SO4/glicerol/água
Inicialmente pesaram-se num recipiente de plástico 26 g de glicerol e 3,4 g de água desionizada e em frascos separados, 66 g de ácido sulfúrico e 4,6 g de celulose. De seguida, foi adicionado lentamente o ácido sulfúrico à mistura de glicerol e água desionizada e a temperatura da solução atingiu os 100 ºC. Após a temperatura estabilizar a 30 ºC, a solução foi colocada num banho de gelo e a celulose foi adicionada lentamente com auxílio de agitação manual. Seguidamente, a solução esteve durante 40 min na incubadora a 30 ºC e 300 rpm.
3.2.7.3 Dissolução da celulose com LiOH/ureia/água
Em primeiro lugar, preparou-se uma solução aquosa de 100 mL a qual continha 4.6 g de LiOH e 15 g de ureia. É de realçar que a dissolução da ureia com água desionizada consistiu numa reação endotérmica uma vez que a solução formada era fria. A solução foi preparada e, de seguida, foi congelada a -80 ºC. Também se efetuou a experiência com uma temperatura de congelação de -30 ºC a fim de estudar a influência da temperatura na dissolução, uma vez que este é um parâmetro fundamental a ter em consideração no processo de dissolução da celulose (51). Posteriormente, 1 g de celulose foi adicionado a 99 g do solvente descongelado LiOH/ureia a agitação elevada (1200 rpm) durante 15 minutos. A mistura foi mantida a -80 ºC até congelação total e depois foi descongelada à temperatura ambiente e agitada a 1300 rpm durante 2 minutos. Este ciclo de congelação/descongelação/agitação foi repetido quatro vezes até dissolver a máxima celulose possível.
4 Resultados e Discussão
Neste capítulo discutir-se-ão os resultados obtidos, após o procedimento experimental realizado para a produção das microcápsulas de quitosana e goma arábica contendo o sistema perfumado simples com limoneno (formulação 1) e os sistemas perfumados ternários: limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix (formulação 2) e limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina (formulação 3). Avaliou-se a morfologia das microcápsulas, determinou-se o seu diâmetro médio e o conteúdo sólido da suspensão e, recorrendo à técnica de cromatografia gasosa, foram calculadas as eficiências de encapsulação e a libertação de cada componente ao longo do tempo. No fim do capítulo serão apresentados os resultados relativos ao estudo da dissolução da celulose.
4.1 Morfologia das microcápsulas
4.1.1 Microscopia ótica
a) Sistema Perfumado Simples
Na Figura 18 encontram-se representadas as imagens obtidas através do microscópio ótico relativas às microcápsulas contendo o sistema perfumado simples. As partículas apresentam uma forma esférica regular, embora com tamanhos diferentes. É de salientar que todas as imagens referentes à morfologia das microcápsulas foram obtidas após a lavagem das mesmas.
b) Sistema Perfumado Ternário
Formulação 1: limoneno, di-hidrojasmonato de metil, vertofix
A Figura 19 diz respeito às imagens obtidas através do microscópio ótico relativas ao sistema perfumado ternário (limoneno, di-hidrojasmonato de metil, vertofix). O aspeto destas microcápsulas é bastante semelhante às anteriores, em termos de forma e tamanho.
20×
Figura 18 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno.
Formulação 2: limoneno, di-hidrojasmonato de metil, vanilina
As microcápsulas que contêm como nota de base a vanilina apresentam uma morfologia bastante idêntica às que contêm vertofix. De forma esférica bem definida, as microcápsulas formadas revelam também uma grande variedade ao nível do tamanho, como se verifica pela Figura 20.
4.1.2 Microscópio eletrónico de varrimento (SEM)
a) Sistema Perfumado Simples
Na Figura 21 encontram-se representadas as imagens obtidas através do microscópio eletrónico relativas às microcápsulas contendo o sistema perfumado simples. Como se pode verificar pela Figura 22, as partículas apresentam diâmetros médios bastante diferenciados, tal como se constatou posteriormente através da análise do tamanho das mesmas na Secção 4.2.
Figura 19 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix.
Figura 20 Microscopia ótica das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina.
20×
40×
b) Sistema Perfumado Ternário
Na Figura 23 encontra-se representada uma imagem retirada a partir do microscópio eletrónico à formulação cuja nota de base é o vertofix e na Figura 24 a imagem diz respeito à formulação que contém vanilina. Constata-se, tal como nas microcápsulas do sistema perfumado simples, uma grande variedade de tamanhos para ambas as formulações.
Figura 21 Microscopia eletrónica das microcápsulas
contendo limoneno.
Figura 22 Microscopia eletrónica das microcápsulas
4.2 Análise do tamanho das microcápsulas
Com o objetivo de determinar o diâmetro médio das microcápsulas formadas recorreu-se ao equipamento
Beckman Coulter LS 230. Este permitiu obter a distribuição do tamanho das partículas quer em volume
quer em número, bem como os diâmetros médios das microcápsulas produzidas. Para todos os sistemas estudados, os gráficos são representativos de todas as corridas de análise efetuadas. É possível observar uma distribuição semelhante em todos os tipos de microcápsulas, obtendo-se valores de diâmetros médios de 11,1 μm para as microcápsulas contendo apenas limoneno (formulação 1), 12,6 μm para as microcápsulas da formulação 2 do sistema ternário e 12,1 μm para as microcápsulas da formulação 3 do
Figura 23 Microscopia eletrónica das microcápsulas
contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix.
Figura 24 Microscopia eletrónica das microcápsulas
representada nas Figuras 25 e 26 para o sistema perfumado simples, nas Figuras 27 e 28 para a formulação 2 e nas Figuras 29 e 30 para a formulação 3.
Figura 25 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno (formulação 1) em volume.
Figura 26 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno (formulação 1) em número.
Figura 27 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix (formulação 2)
em volume. 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 0,01 0,1 1 10 100 1000 Vo lu m e / % Diâmetro da partícula / µm
Volume
Diff. Cum.< 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,01 0,1 1 10 100 1000 Nú m er o / % Diâmetro da partícula / µmNúmero
Diff. Cum.< 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 0,01 0,1 1 10 100 1000 Vo lu m e / % Diâmetro da partícula / µmVolume
Diff. Cum.<Figura 28 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vertofix (formulação 2)
em número.
Figura 29 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina (formulação 3)
em volume.
Figura 30 Distribuição do tamanho das microcápsulas contendo limoneno/di-hidrojasmonato de metil/vanilina (formulação 3)
em número. 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,01 0,1 1 10 100 1000 Nú m er o / % Diâmetro da partícula / µm
