UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia de Alimentos
DIOGO MAUS
INTERAÇÕES MOLECULARES E MUDANÇAS ESTRUTURAIS DURANTE O PROCESSAMENTO DE REQUEIJÃO CREMOSO COM FOSFATOS DE
DIFERENTES TAMANHOS DE CADEIA
CAMPINAS 2016
INTERAÇÕES MOLECULARES E MUDANÇAS ESTRUTURAIS DURANTE O PROCESSAMENTO DE REQUEIJÃO CREMOSO COM POLIFOSFATOS DE
DIFERENTES TAMANHOS DE CADEIA
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Tecnologia de Alimentos.
Orientadora: Profa. Dra. Walkiria Hanada Viotto
Coorientador: Prof. Dr. Alviclér Magalhães
Este exemplar corresponde à versão final da tese defendida pelo aluno Diogo Maus, e orientada pela Profa. Dra. Walkiria Hanada Viotto.
CAMPINAS 2016
BANCA EXAMINADORA
Profa. Dra. Walkiria Hanada Viotto (Orientadora) Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
Dra. Ariene Gimenes Fernandes Van Dender (Membro Titular) Instituto de Tecnologia de Alimentos - ITAL
Dra. Clarissa Reschke Cunha (Membro Titular) Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - EMBRAPA
Prof. Dr. Cláudio Francisco Tormena (Membro Titular) Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
Prof. Dr. Salvador Massaguer Roig (Membro Titular) Fundação Tropical de Pesquisas e Tecnologia “André Tosello”
Profa. Dra. Ana Lúcia Barretto Penna (Membro Suplente) Universidade Estadual Paulista - UNESP
Profa. Dra. Carlos Augusto Fernandes de Oliveira (Membro Suplente) Universidade de São Paulo - USP
Dr. Luciano Fachin (Membro Suplente) PepsiCo – São Paulo
A Ata de defesa com as respectivas assinaturas dos Membros Titulares encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno Diogo Maus.
“A tarefa não é ver aquilo que ninguém nunca viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou a respeito daquilo que todo mundo vê.”
AGRADECIMENTOS À vida.
Aos meus pais, Lúcia e Derlí pela compreensão, incentivo e amor incondicional.
À Universidade Estadual de Campinas e ao Departamento de Tecnologia de Alimentos pela oportunidade de realização do Doutorado.
À Profa. Dra. Walkiria Viotto pela orientação, paciência e conhecimentos transmitidos durante todos os anos em que trabalhamos juntos.
Aos Professores Alvicler Magalhães e Cláudio Tormena, por terem aceitado participar da produção deste trabalho, pela preciosa orientação e por terem cedido o laboratório de RMN para as análises.
Ao Gustavo e Anderson, técnicos do laboratório de RMN, por toda a ajuda durante a execução das análises, principalmente nos fins de semana.
Ao Professor Edvaldo Sabadini pela ajuda e orientação.
Aos professores membros da banca examinadora pelas correções e sugestões.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão da bolsa, e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).
À Bete pelo auxílio e companhia no laboratório de leite e derivados.
À Ana Tsuchiya e Vitor Rubim pela amizade e momentos compartilhados.
Ao Ernesto Alvarado pelo apoio, compreensão e companheirismo ao final deste trabalho. A todos os amigos do laboratório de Leite e Derivados, DTA e da FEA que de alguma forma contribuíram para a elaboração deste trabalho.
RESUMO
Fosfatos de sódio, com diferentes comprimentos de cadeia, são amplamente utilizados como agentes emulsificantes na fabricação de queijos processados ou fundidos para a estabilização da caseína. O comprimento da cadeia do fosfato afeta a dissociação de caseína, a emulsificação de gordura, as interações moleculares, alterando a estrutura e, portanto, afetando a textura e funcionalidade dos queijos processados. A produção de queijos processados, como o requeijão cremoso, envolve etapas de aquecimento e resfriamento que podem influenciar no tamanho de cadeia dos fosfatos, devido às reações de hidrólise que ocorrem em função do tratamento térmico, do pH e do ambiente iônico. O objetivo do trabalho foi avaliar o efeito do tamanho de cadeia (n=2 até n=30) na hidrólise dos fosfatos adicionados durante a fabricação do requeijão e seus efeitos sobre a composição química, tamanho de partícula, potencial zeta, cálcio insolúvel, mobilidade de água, propriedades de textura e microestrutura do requeijão cremoso. O trabalho foi dividido em duas etapas: 1) efeito do tamanho de cadeia na hidrólise dos fosfatos em água, leite e em caseinato de cálcio por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de ³¹P; 2) efeito do tamanho de cadeia do fosfato nas interações moleculares e mudanças estruturais do requeijão cremoso. Na primeira parte do estudo foram utilizados 3 sais de fosfato de sódio: com tamanho de cadeia crescente: tripolifosfato (TPS n=3), hexametafosfato (HMPS n>10) e polifosfato B (n=30), avaliando a variação de cadeia do fosfato em função do processo de aquecimento e resfriamento. Para segunda parte do trabalho foram utilizados 5 sais de fosfatos de sódio: pirofosfato tetrassódico (n=2), triplifosfato (n=3), hexametafosfato (n=2-10), polifosfato A (n=2-15) e polifosfato B (n=2-30). Em água, a hidrólise dos fosfatos se iniciou a partir de 70 °C, sendo que fosfatos de maior tamanho de cadeia apresentaram menor pH em solução e maior porcentagem de hidrólise: polifosfato B 32,9 % (pH 3,61) HMPS 13,6 % (pH 6,60) e TPS 9,0 % (pH 8,90). Já em leite, a hidrólise iniciou a partir de 50 °C, sendo que o TPS apresentou maior porcentagem de hidrólise (23,3 % e pH 8,00), seguindo pelo polifosfato B (20,5 % e pH 6,20) e por último o HMPS (12,1 % e pH 6,8). No caseinato de cálcio, o TPS se hidrolisou a partir de 40 °C, enquanto que o HMSP e polifosfato B sofreram hidrólise a partir de 60 °C. O grau de hidrólise dos fosfatos em caseinato de cálcio (TPS 6,7% pH 7,61; HMPS 7,5% pH 6,80 e polifosfato B 7,2 % pH 6,53) foi menos intenso quando comparado à água e ao leite. O pH próximo do neutro em caseinato de cálcio (TPS = 7,6; HPMS = 6,80; polifosfato B = 6,53), foi devido à elevada capacidade de tamponamento da proteína. Interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio predominaram no requeijão. A hidrólise foi mais intensa nos requeijões produzidos com fosfatos de cadeia curta, o que resultou no pH mais elevado desses queijos. Quanto maior o tamanho da cadeia dos fosfatos, maior foi o sequestro de cálcio ligado à caseína, menor o tamanho de partículas e potencial zeta, resultando em uma maior mobilidade de água e requeijões mais firmes. Os resultados mostraram que a hidrólise dos sais de fosfato ocorre nas condições de processamento do requeijão, afetando a textura e a estrutura, contudo sua intensidade depende do pH do queijo e da composição dos sais emulsificantes.
Sodium phosphates, with different chain lengths, are widely used as emulsifiers in the manufacture of processed cheese for casein stabilization. Phosphate chain length affects casein dissociation, fat emulsification, molecular interactions, and thus, the texture and functionality of processed cheese. The production of processed cheese includes cooling and heating stages that could influence the phosphates chain length, on account of hydrolysis reactions caused by heat treatment, pH and ionic environment. This work aims to evaluate the chain length effect (n=2 to n=30) on the hydrolysis of added phosphates during the fabrication of requeijão cremoso and its effects on chemical composition, particle size, zeta potential, insoluble calcium, water mobility, texture properties and microstructure of the cheese. This work was divided in two stages: 1) chain lengths effect on phosphates hydrolysis in water, milk and calcium caseinate assessed by 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy; 2) phosphate chain lengths effect on molecular interactions and structural changes of requeijão cremoso. In the first stage 3 sodium phosphate salts with increasing chain size were used: tripolyphosphate (TPS n=3), hexametaphosphate (HMPS n>10) and polyphosphate B (n=30), assessing the variation on phosphate chain according to cooling and heating process. In the second stage 5 phosphate salts were used: tetrasodium pyrophosphate (n=2), tripolyphosphate (n=3), hexametaphosphate (n=2-10), polyphosphate A (n=2-15) and polyphosphate B (n=2-30). In water, phosphates hydrolysis started from 70 ° C. The higher the phosphate chain size, the lower the pH (polyphosphate B = 3.61; HPMS = 6.60; TPS = 8.90) and higher the rate of hydrolysis (polyphosphate B = 32.9%; HMPS = 13.6%; TPS = 9.0%). For milk, the onset of hydrolysis was at 50 ° C, with TPS showing a higher percentage of hydrolysis (23.3%, pH 8.00), followed by polyphosphate B (20.5%, pH 6.20), and HMPS (12.1%, pH 6.80). In calcium caseinate, TPS hydrolysis started from 40 °C while hydrolysis of the HMSP and polyphosphate B only occurred at 60 ° C. The hydrolysis of phosphates in caseinate (TPS = 6.7%; HMPS = 7.5%; polyphosphate B= 7.2%) was less intense when compared to water and milk. The pH is close to neutral in calcium caseinate (TPS = 7,6; HPMS = 6.80; polyphosphate B= 6.53) due to the high buffering capacity of the protein. Electrostatic interactions and hydrogen bonds predominated in the spreadable processed cheese. The hydrolysis was more intense in the cheese produced with short chain phosphates, resulting in higher pH of these cheeses. Increasing the chain length of phosphates decreased the calcium sequestering from casein matrix, the particle size and the zeta potential, resulting in lower binding water thus a firmer texture of cheese. The results showed that the hydrolysis of phosphate salts occurs in the requeijão cremoso processing conditions affecting the texture and structure, but its intensity depends on the pH of the cheese and the composition of emulsifying salts.
CAPÍTULO 1
Figura 1. Mecanismo de atuação do sal emulsificante (FONTE: GUINEE, 2007)... 25
CAPÍTULO 2
Figura 1. Espectros de RMN de 31P do pirofosfato tetrassódico (TSP) e dissódico (DPS) em solução (23 mg/mL)...42
Figura 2. Espectro de RMN de 31P do tripolifosfato de sódio (TPS) em solução (23 mg/mL) ... 42
Figura 3. Espectro de RMN de 31P para (a) leite em pó e (b) caseinato de cálcio. LB de 20 MHz. ... 43
Figura 4. Espectro de RMN de 31P do polifosfato B (a) e do hexametafosfato de sódio (HMPS) (b) (23mg/mL) ... 44
Figura 5. Hidrólise em água de fosfatos de diferente tamanho de cadeia durante as etapas de aquecimento e resfriamento. TPS - Tripolifosfato (n=3); HMPS – Hexametafosfato de sódio (n=2-10) e Fosfato B (n=2-30) ... 47
Figura 6. Hidrólise em leite de fosfatos de diferente tamanho de cadeia durante as etapas de aquecimento e resfriamento. TPS - Tripolifosfato (n=3); HMPS – Hexametafosfato de sódio (n=2-10) e Fosfato B (n=2-30) ... 48
Figura 7. Hidrólise em caseinato de fosfatos de diferente tamanho de cadeia durante as etapas de aquecimento e resfriamento. TPS - Tripolifosfato (n=3); HMPS – Hexametafosfato de sódio (n=2-10) e Fosfato B (n=2-30) ... 50
Figura 1. Diagrama do processamento do requeijão, amostragem e análises realizadas para avaliação dos requeijões produzidos com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia ... 59
Figura 2. Tempos de relaxação transversal (T2) do requeijão aos 7 dias de fabricação. T2,1, corresponde à água imobilizada e T2,2 à água livre ... 65
Figura 3. Espectros de RMN de 31P dos requeijões (1) antes do processamento, (2) produto final e (3) após 7 dias de armazenamento refrigerado ... 69
Figura 4. Evolução do pH durante o processamento do requeijão cremoso produzido com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia. ... 70
Figura 5. Perfil de ligações de estabilização durante o processo e armazenamento do requeijão cremoso ... 71
Figura 6. Efeito do tamanho de cadeia dos fosfatos e da etapa de processamento no teor de cálcio insolúvel dos requeijões ... 74
Figura 7. Influência do tamanho de cadeia do fosfato (a) e da etapa de processamento (b) no tamanho de partícula (D3,2) do requeijão ... 75
Figura 8. Interação entre tamanho de cadeia do fosfato e etapa de processamento do sobre o potencial zeta (ζ) do requeijão ... 76
Figura 9. Perfil de viscosidade durante o processamento dos requeijões com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia ... 77
Figura 10. Microscopia eletrônica de varredura dos requeijões produzidos com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia. (1) pirofosfato (n=2), (2) tripolifosfato (n=3), (3) hexametafosfato (n=2-10), (4) polifosfato A (n=2-15) e (5) polifosfato B (n=2-30) (6) caseinato reidratado. Os espaços vazios indicam a presença de partículas de gordura no queijo original. Bar = 3µm ... 80
CAPÍTULO 2
Tabela 1. Distribuição dos dos fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia presentes na composição dos sais dissolvidos em água e determinados por RMN de 31P.1 ... 44
Tabela 2. Mudança no pH da água, leite e caseinato, após adição de fosfatos de sódio de diferentes tamanhos de cadeia. ... 45
CAPÍTULO 3
Tabela 1. Composição dos sistemas tampão. 3 ... 63
Tabela 2. Composição dos requeijões produzidos com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia. 4 ... 67
Tabela 3. Porcentagem de hidrólise dos fosfatos e pH dos requeijões produzidos com fosfatos de diferente tamanho de cadeia após 7 dias de armazenamento refrigerado. 5 68
Tabela 4. Quadrados médios e probabilidades para o tamanho de partícula, potencial zeta (ζ), teor de cálcio insolúvel e populações de água T2,1 (água imobilizada) e T2,2 (água livre) dos requeijões durante as etapas de processamento.6 ... 73
Tabela 5. Médias de mobilidade de água (T2,1 eT2,2) nas etapas de processamento e armazenamento refrigerado do requeijão produzido com fosfatos de diferente tamanho de cadeia. 7 ... 78
Tabela 6. Valores médios dos parâmetros de textura para os requeijões produzidos com fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia. 8 ... 81
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO GERAL ... 15
Referências ... 17
CAPÍTULO 1 FOSFATOS: HIDRÓLISE E INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE CADEIA NA ESTRUTURA DE QUEIJOS PROCESSADOS ... 19
Resumo ... 20
Abstract ... 20
1 Introdução ... 21
2 Queijos Processados ... 22
3 Requeijão cremoso ... 22
3.1 Processamento do requeijão cremoso ... 23
3.2 Influência dos fosfatos nas características do requeijão cremoso ... 24
3.3 Hidrólise de fosfatos ... 28
3.4 Avaliação da mobilidade de água e hidrólise de fosfatos por Ressonância Magnética Nuclear ... 29
4 Conclusão ... 30
Referências ... 30
CAPÍTULO 2 INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE CADEIA NA HIDRÓLISE DE FOSFATOS DE SÓDIO EM ÁGUA, LEITE E CASEINATO DE CÁLCIO ... 35
Resumo ... 36
Abstract ... 37
2 Material e Métodos ... 39
2.1 Preparo das soluções para identificação dos fosfatos ... 39
2.2 Preparo das amostras e medições de 31P NMR ... 40
3 Resultados e Discussão ... 41
3.1 Identificação dos fosfatos ... 41
3.2 pH dos fosfatos em água, leite e caseinato ... 45
3.3 Hidrólise dos fosfatos água ... 47
3.4 Hidrólise dos fosfatos em leite ... 48
3.5 Hidrólise dos fosfatos em caseinato de cálcio ... 49
4 Conclusão ... 51
Referências ... 51
CAPÍTULO 3 INTERAÇÕES MOLECULARES E MUDANÇAS ESTRUTURAIS DURANTE O PROCESSAMENTO DE REQUEIJÃO CREMOSO COM FOSFATOS DE DIFERENTES TAMANHOS DE CADEIA ... 54
Resumo ... 55
Abstract ... 55
1 Introdução ... 56
2 Material e Métodos ... 57
2.1 Matérias-primas ... 57
2.2 Análises de caracterização das matérias-primas ... 58
2.3 Produção do requeijão ... 58
2.4 Amostragem ... 59
2.5 Caracterização do requeijão ... 60
2.6 Monitoramento da hidrólise dos fosfatos ... 60
2.7 Teste de tipos de ligações presentes no requeijão ... 61
2.9 Potencial zeta ... 64
2.10 Análise de Viscosidade ... 64
2.11 Estudo da mobilidade de água no requeijão cremoso ... 64
2.12 Avaliação da microestrutura ... 66
2.13 Avaliação do perfil de textura ... 66
2.14 Delineamento experimental e análise estatística dos dados ... 66
3 Resultados e Discussão ... 67
3.1 Caracterização da matéria-prima ... 67
3.2 Composição dos requeijões ... 67
3.3 Efeito do tamanho de cadeia dos fosfatos nas interações moleculares e mudanças estruturais do requeijão cremoso ... 68
3.3.1 Hidrólise e pH do requeijão cremoso ... 68
3.3.2 Mudanças estruturais durante o processamento do requeijão ... 71
Ligações de estabilização ... 71 4. Conclusão ... 82 Referências ... 82 DISCUSSÃO GERAL ... 85 CONCLUSÃO GERAL ... 88 REFERÊNCIAS ... 89
INTRODUÇÃO GERAL
Queijos processados ou fundidos são alimentos extremamente versáteis, utilizados principalmente em produtos prontos para o consumo. No Brasil, o requeijão cremoso é o principal representante desse grupo de queijos. O requeijão cremoso é o segundo queijo mais consumido no país, com uma produção anual de 230000 toneladas, representando 27% do mercado nacional de queijos (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DAS INDÚSTRIAS DE QUEIJOS, 2015). Existem 2 tipos de requeijões, um espalhável e outro para uso como ingrediente culinário. O aumento do consumo desse queijo se deve ao seu uso como ingrediente, principalmente em pizzas e recheios de massas, tortas e salgados em geral.
Tradicionalmente, esse tipo de queijo é obtido através da mistura, sob aquecimento e agitação, de uma massa de queijo, sais emulsificantes, água e gordura (LEE; ANEMA, 2009). Os sais emulsificantes mais comuns para uso em requeijão são misturas de polifosfatos de diferentes tamanhos de cadeia. Os fosfatos possuem grande importância na produção de queijos processados devido à ação sequestrante de cálcio, que leva a uma dispersão e hidratação da caseína, produzindo uma emulsão homogênea de queijo fundido (MIZUNO; LUCEY, 2005). De acordo com a temperatura, pH ou do ambiente iônico, o comprimento de cadeia do polifosfato não permanece constante, devido às reações de hidrólise (RULLIERE et al., 2012) que podem ocorrer durante a fusão, cozimento e armazenamento do queijo processado. Em solução, a hidrólise resulta em trifosfatos e difosfatos (pirofosfatos) e, mais lentamente, em ortofosfatos, que é um excelente tampão de pH. O poder tampão e a capacidade de se ligar ao cálcio dependem do tamanho da cadeia de polifosfato; quanto maior a cadeia, menor a capacidade tampão e maior a capacidade de se ligar ao cálcio (SCHÄR & BOSSET, 2002).
Na prática industrial, os sais utilizados são misturas de fosfatos e/ou polifosfatos de cadeia linear, com o número de fosfatos variando de 1 a 20. A maioria dos estudos versa sobre a ação dos fosfatos individuais na dissociação da caseína, estado do cálcio e fosfato, e o efeito dessas mudanças na textura e funcionalidade dos queijos processados (SHIRASHOJI et al., 2010; KALIAPPAN & LUCEY, 2011; CUNHA et al., 2010). Em geral, a capacidade de cada sal, em relaçã ao poder quelante de cálcio, dissociação da micela e formação da nova estrutura varia grandemente. Mais recentemente, trabalhos com misturas binárias ou ternárias de polifosfatos (BUNKA, et al. 2012, 2013) tem mostrado a dificuldade de se entender como cada sal interage com a caseína e o fosfato de cálcio, e como diferentes sais resultam em diferenças de textura e funcionalidade nos
queijos. Além disso, a concentração e proporção de cada sal, e também o pH influenciam as propriedades da caseína e a funcionalidade de queijos processados (MIZUNO & LUCEY, 2005).
Polifosfatos são produzidos a partir do ortofosfato, com uso de calor para evaporar a água, o que resulta em algum nível de hidrólise, com a formação de ortofosfato e polifosfatos de menor tamanho coexistindo em uma mistura (LAMPILA & GODBER, 2001). Estudos mostram que os polifosfatos podem sofrer hidrólise quando submetidos a altas temperaturas e variações de pH (McBEATH, 2007; RULLIERE, 2012) mas pouco se sabe sobre o seu comportamento durante o processamento e armazenamento em matrizes mais complexas, como o leite, soluções proteicas concentradas e o próprio requeijão. A ocorrência de hidrólise pode levar a uma mudança tanto no mecanismo de ação dos fosfatos, como no pH final do produto, o que poderia levar a modificações nos parâmetros de textura e estrutura do requeijão cremoso.
Os polifosfatos de sódio influenciam diretamente as características funcionais de queijos processados, melhorando a capacidade emulsificante das proteínas. A caseína dispersa e hidratada contribui para a emulsificação da gordura, e para a estabilidade da emulsão, pela imobilização de uma grande quantidade de água livre (GUINEE et al., 2004). Embora muito importantes para as características do produto final, os fenômenos de dissociação da caseína, emulsificação da gordura e formação da nova estrutura proteica ainda não estão plenamente entendidos, principalmente devido ao grande número de fatores envolvidos. A dificuldade está em separar os efeitos da quelação do cálcio, a possível associação do fosfato de cálcio coloidal com a caseína e a mudança do pH causada pela adição dos sais.
O conhecimento acerca das modificações na matriz proteica durante a fabricação de queijos processados, como o requeijão cremoso, é de grande interesse, pois essas são responsáveis pelas características de textura desse tipo de queijo. A elucidação do comportamento da matriz proteica pode abrir caminhos para o maior controle sobre os fenômenos de peptização (dissociação da caseína), emulsificação e cremificação do requeijão, que hoje é bastante empírico. Esse maior controle do processo permitirá o desenvolvimento de produtos com maior padronização, possibilitando a obtenção de produto final com características desejadas para uso específico como ingrediente.
Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DAS INDÚSTRIAS DE QUEIJOS. Queijos: Mercado Total Brasileiro. São Paulo, Brasil, 2015. Disponível em: < http://www.abiq.com.br/ >
BUNKA, F.; DOUDOVÁ, L.; WEISEROVÁ, E.; KUCHAR, D.; MICHÁLEK, J.; SLAVÍKOVA, S.; KRACMAR, S. The effect of different ternary mixtures of sodium phosphates on hardness of processed cheese spreads. International Journal of Food Science and Technology. V. 47, p. 2063–2071, 2012.
BUNKA, F.; DOUDOVÁ, L.; WEISEROVÁ, E.; KUCHAR, D.; PONÍŽIL, P.; ZAČALOVÁ, D.; NAGYOVÁ, G.; PACHLOVÁ, V. The effect of ternary emulsifying salt composition and cheese maturity on the textural properties of processed cheese. International Dairy Journal. v.29. p 1-7, 2013.
CUNHA, C.R.; VIOTTO, W.H. Casein peptization, functional properties, and sensory acceptance of processed cheese spreads made with different emulsifying salts. Journal of Food Science, v.75, p.113-120, 2010.
GUINEE, T. P.; CARÍC, M.; KALÁB, M. Pasteurized processed cheese and substitute/imitation cheese products. In Fox, P. F.; McSweeney, P. L.H.; Cogan, T. M.; Guinee, T. P. Cheese: Chemistry, physics and microbiology. 2. Major cheese groups 3rd Ed. London: Elsevier Ltd., cap. 21, p. 349-394, 2004.
KALIAPPAN, S.; LUCEY, J. A. Influence of mixtures of calcium-chelating salts on the physicochemical properties of casein micelles. Journal of Dairy Science. v. 94, p. 4255-4263, 2011.
LAMPILLA, L. E.; GODBER, J. P. Food Phosphates. In THORNGATE, J. H.; SALMINEN , S.; BRANEN, L. A .; DAVIDSON, M. P . Food Additives, CRC Press, cap. 25. 2001.
LEE, S. K.; ANEMA, S. G. The effect of the pH at cooking on the properties of processed cheese spreads containing whey proteins. Food Chemistry, v. 115, p. 1373-1380, 2009.
McBEATH, T.M.; LOMBI, E.; McLAUGHILIN, M. J.; BUMANN, E. K. Polyphosphate-fertilizer solution stability with time, temperature, and pH. Journal of Plant Nutrition and Soil Science-Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde, 170(3), 387-391; 2007.
MIZUNO, R.; LUCEY, J. A. Effects of emulsifying salts on the turbidity and calcium-phosphate–protein interactions in casein micelles. Journal of Dairy Science, v. 88, p. 3070-3078; 2005.
RULLIERE, C.; PERENES, L.; SENOCQ D.; DODI, A.; MARCHESSEAU, S. Heat treatment effect on polyphosphate chain length in aqueous and calcium solutions. Food Chemistry. V. 134, p. 712-716, 2012.
SCHÄR, W.; BOSSET, J.O. Chemical and 18 hysic-chemical changes in processed cheese and ready-made fondue during storage. A review. Lebensmittel-Wissenschaft und Technologie – Food Science and Technology, v. 35, p. 15-20, 2002.
SHIRASHOJI, N.; JAEGGI, J. J.; LUCEY J. A. Effect of sodium hexametaphosphate concentration and cooking time on the physicochemical properties of pasteurized process cheese. Journal Dairy Science. v. 93, p. 2827-2837, 2010.
CAPÍTULO 1
FOSFATOS: HIDRÓLISE E INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE CADEIA NA ESTRUTURA DE QUEIJOS PROCESSADOS
Diogo Maus, Walkiria Hanada Viotto
Resumo
O requeijão cremoso é o queijo processado mais consumido no Brasil. Esse queijo espalhável é obtido pela fusão de uma massa fresca, obtida pela acidificação direta a quente, e por ação mecânica na presença de sais emulsificantes. Misturas de fosfatos de sódio com diferentes tamanhos de cadeia são os sais emulsificantes mais utilizados. O papel desses sais, além de aumentar o pH, é sequestrar o cálcio e facilita a dissociação e hidratação da caseína. A caseína dispersa atua como um emulsificante para permitir a emulsificação da gordura. Interações moleculares entre os glóbulos de gordura dispersos e as moléculas de paracaseina resultam na formação de uma nova matriz proteica tridimensional capaz de imobilizar a água. Esta revisão discute o papel dos fosfatos de diferentes comprimentos de cadeia na produção de queijos processados e, como a hidrólise desses sais pode afetar as interações moleculares e estruturais nesses queijos. O conhecimento das mudanças proteicas durante o processamento é de grande interesse, porque elas são responsáveis pelas características de qualquer queijo processado.
Abstract
“Requeijão cremoso” is the second cheese most consumed in Brazil. This spreadable processed cheese is obtained by the fusion of the fresh curd obtained by direct acidification with the aid of heat and mechanical action in the presence of emulsifying salts. Blends of sodium phosphates with different chain lengths are the most commonly used emulsifying salts. Their role is not only to sequester calcium but also to increase the pH which further aids in casein dissociation and hydration. The dispersed casein acts as an emulsifier allowing for the fat emulsification. Molecular interactions between the dispersed emulsified fat globules and the paracasein molecules result in the formation of a new three-dimensional matrix that can immobilize water. This review addresses the role of phosphates of different chain lengths in cheese processing, and as the hydrolysis of these salts may affect the molecular and structural interactions that cheese. The knowledge of protein changes during processing is of great interest because they are responsible for the characteristics of any processed cheese.
1 Introdução
Requeijão cremoso é um queijo processado típico brasileiro que apresenta uma consistência fluida e alto teor de gordura (mínimo de 55% em base seca), e pode ser classificado como uma emulsão de óleo em água (BRASIL, 1997). O consumo desse queijo tem aumentado muito devido ao seu uso como ingrediente culinário, sendo atualmente o segundo queijo mais consumido no Brasil (ABIQ, 2015).
Tradicionalmente, os queijos processados são obtidos através da mistura, sob aquecimento e agitação, de uma massa de queijo, sais emulsificantes, água e gordura. Os sais emulsificantes influenciam diretamente nas características funcionais de queijos processados, melhorando a capacidade emulsificante das proteínas. A caseína dispersa e hidratada contribui para a emulsificação, pelo revestimento da superfície das gotículas dispersas de gordura livre, e para a estabilidade da emulsão pela imobilização de uma grande quantidade de água livre (GUINEE et al., 2004). Embora muito importante para as características do produto final os fenômenos de peptização e emulsificação ainda não estão plenamente entendidos, principalmente devido ao grande número de fatores envolvidos.
Existem poucos estudos sobre o papel dos fosfatos sobre as características estruturais de queijos processados. A maioria deles incluem diferentes matérias-primas, condições de processamento e composição de queijo, portanto, levando a resultados conflitantes (DIMITRELI et al., 2005; DIMITRELI E THOMAREIS, 2009; SÁDLÍKOVA et al., 2010). Nenhum desses trabalhos leva em consideração o grau de hidrólise dos fosfatos durante o processamento de queijos processados e qual o seu impacto sobre a textura e as propriedades funcionais desses queijos.
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) tem auxiliado a elucidar mecanismos, tanto de mobilidade de água, quando de estrutura e interações proteicas. A análise por RMN é rápida e não necessita de preparo de amostra, evitando modificações na estrutura a ser analisada (SHINTU, CALDARELLI, & FRANKE, 2007).
O conhecimento acerca das modificações proteicas durante a fabricação de queijo processado é de grande interesse, pois elas são responsáveis pelas características de qualquer queijo processado. A elucidação do comportamento proteico pode abrir caminhos para o desenvolvimento de produtos com maior padronização, possibilitando controle das propriedades de textura e funcionalidade de acordo com o produto final desejado. Portanto, essa revisão versa sobre a influência dos fosfatos no processamento
do requeijão, abordando as modificações moleculares e estruturais resultantes da adição desses sais.
2 Queijos Processados
O queijo processado, fundido ou pasteurizado é definido pela legislação brasileira como o produto obtido por trituração, mistura, fusão e emulsão por meio de calor e agentes emulsificantes, de uma ou mais variedades de queijo, com ou sem adição de outros produtos lácteos e/ou sólidos de origem láctea e ou especiarias, condimentos ou outras substâncias alimentícias, na qual o queijo constitui o ingrediente lácteo utilizado como matéria-prima preponderante na base láctea. O produto assim definido pode ser denominado queijo processado, queijo fundido ou queijo processado pasteurizado (BRASIL, 1997).
Genericamente três são os tipos básicos de queijos fundidos: queijo fundido em bloco, fatiável e cremoso. As diferenças entre eles consistem no tipo de matéria-prima e de sal emulsificante empregados no processo e nos teores de gordura e de umidade contidos no produto final (VAN DENDER, 2014).
Os queijos processados ou fundidos caracterizam-se por terem uma consistência definida, estrutura típica e um teor de caseína intacta de no mínimo 12% para que a estabilização da emulsão possa ocorrer (BERGER et al., 1998). São alimentos extremamente versáteis, utilizados principalmente em produtos prontos para o consumo. No Brasil, o requeijão cremoso é o principal representante desse grupo de queijos, sendo o segundo queijo mais consumido no país, com uma produção anual de 230000 toneladas, representando 27% do mercado nacional de queijos (ABIQ, 2015). O aumento do consumo desse queijo se deve ao seu uso como ingrediente culinário, principalmente em pizzas e recheios de massas, tortas e salgados em geral.
3 Requeijão cremoso
Segundo a legislação brasileira o requeijão é definido como um produto obtido pela fusão da massa coalhada, cozida ou não, dessorada e lavada, obtida por coagulação ácida e/ou enzimática do leite, opcionalmente adicionada de creme de leite e/ou manteiga e/ou gordura anidra de leite ou butter oil. O produto poderá estar adicionado de
condimentos, especiarias e/ou outras substâncias alimentícias. A denominação requeijão está reservada ao produto no qual a base láctea não contenha gordura e/ou proteína de origem não láctea (BRASIL, 1997). Assim pode-se dizer que o requeijão é um tipo de queijo processado ou fundido.
Ao contrário de outros queijos fundidos, fabricados a partir de vários tipos de queijos ou com queijos de diferentes graus de maturação, o requeijão cremoso é obtido a partir de uma massa fresca, e deve apresentar a seguinte composição: 40 - 68 % de extrato seco, 60 - 62% de gordura no extrato seco, 60 – 66 % de nitrogênio total, 1 - 1,5 % de cloreto de sódio e pH entre 5,2 - 5,7 (VAN DENDER, 2014).
3.1 Processamento do requeijão cremoso
Os ingredientes fundamentais para a fabricação do requeijão são a massa coalhada, água, gordura, sal emulsificante, cloreto de sódio. A água exerce um papel essencial na elaboração de queijos fundidos, tanto por auxiliar a transferência de energia térmica e mecânica durante a formação do sol de caseinato, como por atuar como solvente e dispersante da mistura (VAN DENDER, 2014).
Durante o início do cozimento as proteínas estão em sua maioria na forma de moléculas individuais. Entretanto, há pequenas regiões de estruturas proteicas firmemente unidas. Logo após o início do aquecimento ocorre a desintegração das proteínas resultando em uma fase proteica observável. Com o passar do tempo às proteínas formam uma estrutura como rede com uma forte interação proteína-proteína (LEE et al., 2009).
No estágio inicial de aquecimento as proteínas (mais especificamente as caseínas) estão dispersas em pequenas unidades de proteína devido à ação do pH e/ou dos fosfatos auxiliado pela ação mecânica da máquina de cozimento. As ligações de cálcio-fosfato que mantinham as unidades de proteína unidas são quebradas, permitindo a dissociação proteica. O sequestro do cálcio e as reações de troca de íons também aumentam a hidratação das proteínas. A expansão das unidades de proteína resulta em um aumento no volume da fase dispersa, no desdobramento das proteínas e no espalhamento. O desdobramento das micelas de caseína aumenta as interações proteína-proteína. A estrutura desenvolvida devido a tais enlaçamentos moleculares das cadeias de proteína possivelmente contribui para o aumento inicial na viscosidade;
O aquecimento progressivo intensifica as interações proteína-proteína, que controlam o aumento da viscosidade resultando na dispersão das unidades de proteína e reassociação para formar uma rede. O aquecimento permite que as proteínas assumam estruturas intermediárias cruciais para as interações proteína-proteína. Entre outras interações, agrupamentos intermoleculares destas estruturas intermediárias (através da exposição de grupos não polares) levam a reassociação das unidades de proteína, as quais refletem no observado aumento da viscosidade. Durante o cozimento as contínuas interações proteína-proteína superam as interações proteína-gordura e proteína-água.
A textura, derretimento e elasticidade são determinados primeiramente através das interações entre as micelas de caseína. A aplicação dos princípios que governam essas interações pode ser útil para entender muitas das propriedades químicas e físicas do queijo e, usados no processamento para produzir um queijo sob medida (LUCEY, JOHNSON e HORNE, 2003).
De acordo com Lee et al. (2003), a reação de cremificação possui caráter essencialmente proteico, ocorrendo independentemente da presença de gordura. No início do cozimento, as caseínas sofrem dissociação por ação dos sais fundentes, liberando unidades proteicas menores. Essa reação aumenta a hidratação das proteínas, ao mesmo tempo em que aumenta a exposição de seus grupos polares e apolares. Com isso, as interações proteina-proteina aumentam, formando-se uma nova rede proteica, provavelmente similar à que se forma durante a desnaturação de proteínas globulares e a geleificação.
A gordura exerce um papel importante na consistência do requeijão cremoso, além de realçar o sabor do produto (CUNHA, 2007). A gordura diminui consideravelmente a viscosidade do produto e afeta de modo favorável à consistência do produto final, tornando-o mais macio.
3.2 Influência dos fosfatos nas características do requeijão cremoso
As duas funções primárias dos sais emulsificantes são: sequestrar o cálcio e ajustar o pH, ajudando a hidratar a caseína, o que facilita a interação entre a água e a gordura, produzindo uma emulsão homogênea (KAPOOR & METZGER, 2008). Em queijos produzidos a partir de ingredientes anidros, os sais emulsificantes são geralmente adicionados para ajudar a hidratar os componentes do leite e melhorar a capacidade de
emulsificação da gordura. Nos queijos processados, a gordura encontra-se completamente emulsificada (LUCEY, 2003).
Os sais emulsificantes não atuam diretamente como agentes emulsificantes. Esses sais interagem com a caseína, tornando suas propriedades adequadas para que esta atue como emulsificante da dispersão óleo-água. Esses sais atuam rompendo as ligações de fosfato de cálcio que existem entre as micelas de caseína. Ocorre uma troca iônica entre o cálcio e o sódio, transformando o caseinato de cálcio que é insolúvel, em caseinato de sódio solúvel (BRICKLEY et al., 2008), com a consequente formação de sol homogêneo formando uma estrutura proteica mais aberta e desagregada e também mais susceptível a um maior volume de água de hidratação em suas porções hidrofílicas (BERGER et al., 1989) (Figura 1).
Figura 1. Mecanismo de atuação do sal emulsificante (FONTE: GUINEE, 2007).
O uso de sal emulsificante aumenta a repulsão eletrostática através da exposição de resíduos de fosfoserina e diminui as interações hidrofóbicas devido a um menor número de ligações cruzadas (JOHNSON e LUCEY, 2006). A transformação da rede de caseína, na forma de uma dispersão coloidal estável, é acompanhada por um aumento na viscosidade da massa fundida (GUINEE et al., 2004). Quando o cálcio é removido da micela, as caseínas ficam mais capacitadas a emulsificar a gordura (McMAHON et al., 1993). Os sais emulsificantes mais comuns para uso em requeijão são misturas de fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia.
Entre os fosfatos, os ortofosfatos (NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4), os fosfatos de cadeia curta (tripolifosfato pentassódico, pirofosfato tetrassódico) e os fosfatos de cadeia longa (hexametafosfato de sódio, sal de Graham) são os mais utilizados (MAURER-ROTHMANN e SCHEURER, 2005).
A capacidade do sal emulsificante de sequestrar cálcio está intimamente relacionada com a capacidade de hidratar e solubilizar a caseína e, esta capacidade é dependente das condições de processamento, do tipo e da concentração do sal emulsificante. A capacidade de hidratação e solubilização da caseína é fortemente influenciada pelo pH. Portanto, a estabilidade e as características da emulsão dependem do pH, que altera o equilíbrio iônico e a hidratação da caseína. Por esse motivo, alguns sais emulsificantes possuem a função adicional de regular o pH da massa (BERGER et al., 1989).
Na prática industrial, os sais utilizados são misturas de fosfatos e/ou polifosfatos de cadeia linear, com o número de fosfatos na cadeia variando de 1 a 20 unidades. A maioria dos estudos versa sobre a ação dos fosfatos individuais na dissociação da caseína, estado do cálcio e fosfato, e o efeito dessas mudanças na textura e funcionalidade dos queijos processados (SHIRASHOJI et al., 2010; KALIAPPAN e LUCEY, 2011; CUNHA et al., 2010).
A seleção do tipo de sal emulsificante e da quantidade adequada do mesmo é essencial para obter um queijo com as propriedades funcionais desejadas. No entanto, quando dois ou mais tipos de sal são utilizados, fica complicado chegar a conclusões sobre a ação individual de cada um deles. Além disso, a maneira como cada sal emulsificante interage com a caseína e o fosfato de cálcio, e a razão pela qual cada tipo de sal resulta em queijos com diferentes funcionalidades são fenômenos ainda não totalmente elucidados (MIZUNO & LUCEY, 2005).
Em geral, a capacidade de cada sal, em relação, ao poder quelante de cálcio, dissociação da micela e formação da nova estrutura varia grandemente. Mais recentemente, trabalhos com misturas binárias ou ternárias de polifosfatos têm mostrado a dificuldade de se entender como cada sal interage com a caseína e o fosfato de cálcio, e como diferentes sais resultam em diferenças de textura e funcionalidade nos queijos. Além disso, a concentração e proporção de cada sal, e também o pH influenciam as propriedades da caseína e a funcionalidade de queijos processados (MIZUNO e LUCEY, 2005).
O papel dos fosfatos na troca iônica do cálcio pelo sódio e na formação da nova estrutura ou matriz proteica final durante o resfriamento e armazenamento do queijo (cremificação) estão estreitamente relacionados. Segundo Mizuno e Lucey (2005) e Shirashoji et al. (2010), quanto maior o poder quelante do sal, mais intensa a formação de ligações e mais duro o gel. Entretanto, o uso de fosfatos de cadeia longa pode fazer com que a caseína fique mais eletronegativa, o que aumenta a repulsão eletrostática e
enfraquece o gel (BUŇKA et al., 2012; BUŇKA et al., 2013). Durante a cremificação, diferentes tipos de interações contribuem para a formação da nova estrutura: pontes de cálcio, ligações dissulfídicas, interações hidrofóbicas, interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e complexos de fosfato de cálcio (HORNE, 1998; MIZUNO e LUCEY, 2005, 2007).
A organização do interior da matriz proteica é responsável pelas características funcionais de textura, derretimento e espalhabilidade dos queijos (HORNE, 1998; LUCEY, JOHNSON e HORNE, 2003; DALGLEISH, 2011). Para entender como ocorrem os rearranjos proteicos durante as etapas do processamento de requeijão cremoso e como isso influencia nas propriedades funcionais do produto final, é necessário compreender o interior altamente hidratado da micela de caseína e as interações promovidas pelo fosfato de cálcio coloidal e os sais emulsificantes adicionados.
No modelo proposto por Dalgleish (2011), a água tem função fundamental na manutenção da estabilidade da micela de caseína. As micelas contêm de 3-4 kg de água por kg de proteína, das quais apenas uma parte pode estar contida na camada de hidratação externa. A maioria dos modelos de estrutura micelar enfatiza a importância das interações hidrofóbicas. No entanto, somente os efeitos hidrofóbicos não explicam a manutenção da estrutura, uma vez que a exposição a baixas temperaturas levaria a dissociação das micelas, possivelmente pelo baixo número de nanocluster. As interações hidrofóbicas são importantes na agregação de nanocluster de fosfato de cálcio/proteína, porém depois de formadas essas partículas apresentam outras interações de curto alcance, tais como pontes de cálcio, formação de ligações de hidrogênio e interações de van der Waals que ajudam na estabilidade das micelas.
Alterações na mobilidade de água também podem contribuir para a formação da matriz proteica final, e que o cálcio solúvel, resultante da troca iônica com o sódio, reaja com os grupos fosfato, forme pontes com a caseína e, juntamente com as interações hidrofóbicas seja responsável pelas diferenças de textura e derretimento observadas com o uso dos vários sais de fosfato/polifosfatos estudados até agora (SÁDLÍKOVÁ et al. 2010).
3.3 Hidrólise de fosfatos
Os polifosfatos são produzidos a partir da condensação de moléculas de ortofosfato em meio aquoso, o que sempre resulta em algum nível de hidrólise. Assim, os fosfatos comerciais são compostos de misturas de fosfatos com diferentes tamanhos de cadeia (LAMPILA & GODBER, 2001).
A hidrólise dos fosfatos vem ganhando crescente atenção em sistemas alimentícios por implicar em possível perda de propriedades funcionais dos fosfatos (MOLINS, 1991). Em geral, as ligações entre grupos fosfatos (PO4-) tende a ser estável em soluções a 25°C e em pHs próximos da neutralidade. Dessa forma, uma solução de fosfatos tende a ter aproximadamente a mesma composição que sua forma cristalina. Embora os fosfatos lineares sejam relativamente estáveis em soluções alcalinas ou neutras, com o aumento da temperatura e diminuição do pH do meio, a hidrólise pode ser acelerada levando à formação de fosfatos de menor tamanho de cadeia e ortofosfatos (McBEATH, 2007). Rulliere et al. (2012) demonstraram, através de análises de ressonância magnética nuclear de ³¹P, que a hidrólise de fosfatos em soluções aquosas ocorre em pH ácido e temperaturas iguais ou superiores a 100 °C, e que a presença de cálcio aumenta a taxa de hidrólise dos polifosfatos de cadeia longa com formação principalmente de ortofosfato e pirofosfato como produtos finais.
Como resultado da hidrólise, a quebra das cadeias de polifosfatos é acompanhada por uma contínua formação de ortofosfatos, que é o produto final da degradação hidrolítica. Assim, o pirofosfato é clivado em dois ortofosfatos. O tripolifosfato, por sua vez, resulta na formação de um íon pirofosfato e um ortofosfato, seguindo pela quebra do pirosfosfato em dois ortofosfatos (MOLINS, 1991).
Além da temperatura e do pH, a presença de cátions metálicos também pode catalisar a quebra hidrolítica dos fosfatos. Isso ocorre devido ao efeito quelante do oxigênio dos polifosfatos sobre os cátions, que resulta numa maior suscetibilidade do átomo de fósforo ao ataque nuclefílico. Íons cálcio e magnésio catalisam a hidrólise de polifosfatos, especialmente em soluções alcalinas (MOLINS, 1991).
Embora os estudos apontem a ocorrência de hidrólise dos polifosfatos sob condições semelhantes às do processamento do requeijão, a maioria deles utiliza soluções aquosas ou soluções aquosas adicionadas de íons como meio para tais reações. Pouco se sabe sobre as reações de hidrólise em sistemas mais complexos, como soluções proteicas ou o leite e, como variações nos parâmetros de processo, como o pH, podem influenciar no grau de hidrólise e no tipo de fosfatos formados a partir dessa reação.
3.4 Avaliação da mobilidade de água e hidrólise de fosfatos por Ressonância Magnética Nuclear
A ressonância magnética nuclear (RMN) é uma ferramenta útil de caracterização estrutural de componentes dos alimentos em solução ou no estado sólido. A análise de RMN é um método não invasivo e não destrutivo. Estudos utilizando RMN de ³¹P são capazes de detectar espécies naturais de fosfatos em alimentos (ATP, PCr e Pi) e de moléculas adicionadas, como fosfatos de sódio. A análise de RMN de ³¹P tem sido usada para caracterização de misturas de polifosfatos utilizados para tratamento de água e em materiais cerâmicos (CASAS et al., 2009), como também na área de alimentos, principalmente no que diz respeito aos queijos processados (RULLIERE et al., 2012). O uso da técnica de RMN de ³¹P possui vantagens quando utilizada em análise de alimentos como: (1) é uma técnica rápida; (2) não necessita preparo de amostra, de modo que esta permanece intacta, diminuindo perdas e minimizando erros; (3) por ser o fósforo um núcleo 100% abundante, a análise de RMN de ³¹P se torna muito sensível; (4) em um mesmo espectro é possível a caracterização de diferentes compostos fosforilados.
Além da caracterização, a análise de RMN de ³¹P permite, através da integração e normalização dos picos presentes no espectro, a quantificação proporcional das espécies de fosfatos presentes nas amostras. Dessa forma, esta técnica possui sensibilidade suficiente para detectar e quantificar diferentes espécies de polifosfatos adicionados aos alimentos (MONIN, 1998).
Técnicas de medição de tempo de relaxação de 1H estão correlacionadas com a mobilidade molecular em alimentos. Nos líquidos, interações dipolo-dipolo são responsáveis pelos mecanismos de relaxação nuclear dominante. Estas interações afetam o sinal e, como resultado, elas afetam o tempo de relaxação T2, que pode ser medido por sequência de Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) (CARR & PURCELL, 1954; MEIBOOM & GILL, 1958).
Chen & Liu (2012) utilizaram a técnica de RMN de 1H em baixo campo para determinar a mobilidade de água para queijo processado, concluindo que grande parte da água se encontrava imobilizada e associada aos glóbulos de gordura, e outra parte associada à caseína. Esses estudos indicam a possibilidade de determinar a mobilidade de água em sistemas proteicos, bem como sua interação com gordura e/ou proteína.
4 Conclusão
Os fosfatos influenciam diretamente nas características funcionais de queijos processados, melhorando a capacidade emulsificante das proteínas. Fosfatos de diferentes tamanhos de cadeia afetam a intensidade da troca iônica do cálcio pelo sódio, influenciando o processo reorganização da matriz proteica após o processamento. O maior conhecimento sobre a interação dos polifosfatos com a caseína e suas consequências na funcionalidade dos queijos pode levar a um maior controle do processo, permitindo também o desenvolvimento de novos produtos com propriedades funcionais específicas.
Referências
ABIQ - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DAS INDÚSTRIAS DE QUEIJOS. Queijos: Mercado Total Brasileiro. São Paulo, Brasil, 2015. Disponível em: < http://www.abiq.com.br/ >.
BERGER, W.; KLOSTERMEYER, H.; MERKENICH, K.; UHLMANN, G. Processed cheese manufacture. A joha Guide. BK Landenburg, p. 238, 1998.
BRASIL. Ministério do Estado da Agricultura e do Abastecimento. Regulamento Técnico para Fixação de Identidade e Qualidade de Requeijão. Portaria nº 359, de 04 de dezembro de 1997.
BRICKLEY, C. A.; GOVINDASAMY-LUCEY, S.; JAEGGI, J. J.; JOHNSON, M. E.; McSWEENEY, L. H.; LUCEY, J. A. Influence of Emulsifying Salts on the Textural Properties of Nonfat Process Cheese Made from Direct Acid Cheese Bases. Journal of Dairy Science, v. 91, n. 1, p. 39-48, Jan, 2008.
BUNKA, F.; DOUDOVÁ, L.; WEISEROVÁ, E.; KUCHAR, D.; MICHÁLEK, J.; SLAVÍKOVA, S.; KRACMAR, S. The effect of different ternary mixtures of sodium phosphates on hardness of processed cheese spreads. International Journal of Food Science and Technology. V. 47, p. 2063–2071, 2012.
BUNKA, F.; DOUDOVÁ, L.; WEISEROVÁ, E.; KUCHAR, D.; PONÍŽIL, P.; ZAČALOVÁ, D.; NAGYOVÁ, G.; PACHLOVÁ, V. The effect of ternary emulsifying salt composition and cheese maturity on the textural properties of processed cheese. International Dairy Journal. v.29. p 1-7, 2013.
CASAS, J. M., GARCÍA, M. P., SANZ, M., CACHO, F., PÉREZ, J. 2009. ³¹P NMR spectroscopic studies of the influence of the environment in the degradation process of the Graham’s salt. Ceramics International. 36 (2010) 39-46.
CARR, H. Y., & PURCELL, E. M. Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments. Physical Review, 94, 630-638, 1954.
CHEN, L.; LIU, H. Effect of emulsifying salts on the physicochemical properties of processed cheese made from mozzarella. Journal of dairy science. v.95, p. 4823-4830, 2012.
CUNHA, C. R. Papel da gordura e do sal emulsificante em análogos de requeijão cremoso. Campinas, 2007. 177p. Tese (Doutor em Tecnologia de Alimentos) - Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas.
CUNHA, C.R.; VIOTTO, W.H. Casein peptization, functional properties, and sensory acceptance of processed cheese spreads made with different emulsifying salts. Journal of Food Science, v.75, p.113-120, 2010.
DALGLEISH, D. G. On the structural models of bovine’s casein micelles-review and possible improvements. Soft Matter - The Royal Society of Chemistry. v 7, p. 2265- 2272, 2011.
DIMITRELI, G.; THOMAREIS, A.S. Instrumental textural and viscoelastic properties of processed cheese as affected by emulsifying salts and in relation to its apparent viscosity. International Journal of Food Properties, 12, 261–275, 2009.
DIMITRELI, G.; THOMAREIS, A.S.; SMITH, P.G. Effect of emulsifying salts on casein peptization and apparent viscosity of processed cheese. International Journal of Food Engineering, v.1, n.4, p.1-15, 2005.
GUINEE, T. P. Processed Cheese. In: McWEENEY, P. L. H. (Eds) Cheese problems solved. 1st Ed. CRC Press, USA, p. 387, 2007.
GUINEE, T. P.; CARÍC, M.; KALÁB, M. Pasteurized processed cheese and substitute/imitation cheese products. In Fox, P. F.; McSweeney, P. L.H.; Cogan, T. M.; Guinee, T. P. Cheese: Chemistry, physics and microbiology. 2. Major cheese groups 3rd Ed. London: Elsevier Ltd., cap. 21, p. 349-394, 2004.
HORNE, D. S., Casein interactions: Casting ligth on the Black Boxes, the structure in dairy products. International Dairy Journal. 8:171-177, 1998.
JOHNSON, M. E.; LUCEY, J. A. Calcium: a key factor in controlling cheese functionality. Australian Journal Dairy Technology, v. 61, p. 147-153, 2006.
KALIAPPAN, S.; LUCEY, J. A. Influence of mixtures of calcium-chelating salts on the physicochemical properties of casein micelles. Journal of Dairy Science. v. 94, p. 4255-4263, 2011.
KAPOOR, R.; METZGER, L. E. Process cheese: scientific and technological aspects e a review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. v. 7, p. 194-214, 2008.
LAMPILLA, L. E.; GODBER, J. P. Food Phosphates. In THORNGATE, J. H.; SALMINEN , S.; BRANEN, L. A .; DAVIDSON, M. P . Food Additives, CRC Press, cap. 25. 2001.
LEE, S. K.; ANEMA, S. G. The effect of the pH at cooking on the properties of processed cheese spreads containing whey proteins. Food Chemistry, v. 115, p. 1373-1380, 2009.
LEE, S. K.; BUWALDA, R. J.; EUSTON, S. R.; FOEGEDING, E. A.; McKENNA, A. B. Changes in the rheology and microstructure of processed cheese during cooking. Lebensmittel-Wissenschaft und Technologie – Food Science and Technology, v.36, p. 339–345, 2003.
LUCEY, J. A.; JOHNSON, M. E.; HORNE, D. S. Invited Review: Perspective on the Basis of the Rheology and Texture Properties of Cheese. Journal of Dairy Science, v. 86, n. 9, p. 2725-2743, 2003.
MAURER-ROTHMANN, A.; SCHEURER, G. Stabilization of Milk Protein Systems A JOHA Guide. Ludwigshafen: BK Giulini GmbH, p. 50 2005.
McBEATH, T.M.; LOMBI, E.; McLAUGHILIN, M. J.; BUMANN, E. K. Polyphosphate-fertilizer solution stability with time, temperature, and pH. Journal of Plant Nutrition and Soil Science-Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde, 170(3), 387-391; 2007.
McMAHON, D.J. & OOMMEN, B.S. Supramolecular structure of the casein micelle. Journal of Dairy Science, 91, 1709–1721, 2008.
MEIBOOM, A. & GILL, D. Modified spin-echo method for measuring nuclear relaxation times. Revision of Scientific Instruments. 29, 688-691, 1958.
MEYER, A. Process cheese manufacture. London: Food Trade Press, 1973. 360p.
MIZUNO, R.; LUCEY, J. A. Effects of emulsifying salts on the turbidity and calcium-phosphate–protein interactions in casein micelles. Journal of Dairy Science, v. 88, p. 3070-3078; 2005.
MIZUNO, R.; LUCEY, J. A. Properties of milk protein gels formed by phosphates. Journal of Dairy Science. V. 90, p. 4524–4531, 2007.
MONIN, G. Recents methods for predicting quality of whole meat. Meat Science, v. 49, p. 231-243, 1998.
RULLIERE, C.; PERENES, L.; SENOCQ D.; DODI, A.; MARCHESSEAU, S. Heat treatment effect on polyphosphate chain length in aqueous and calcium solutions. Food Chemistry. V. 134, p. 712-716, 2012.
RULLIERE, C.; RONDEAU-MOURO, C.; RAOUCHE, S.; DUFRECHOU, M.; MARCHESSEAU, S. Studies of polyphosphate composition and their interaction with dairy matrices by ion chromatography and 31P NMR spectroscopy. International Dairy Journal, v.28, p. 102-108, 2013.
SÁDLÍKOVÁ, I.; BUŇKA, F.; BUDINSKÝ, P.; VOLDÁNOVÁ, B.; PAVLÍNEK, V.; HOZA, I. The effect of selected phosphate emulsifying salts on viscoelastic properties of processed cheese. Lebensmittel-Wissenschaft und Technologie – Food Science and Technology, v.43, p. 1220–1225, 2010.
SHINTU, L., CALDARELLI, S., & FRANKE, B. M. Pre-selection of potential molecular markers for the geographic origin of dried beef by HR-MAS NMR spectroscopy. Meat science, 76, 700–707, 2007.
SHIRASHOJI, N.; JAEGGI, J. J.; LUCEY J. A. Effect of sodium hexametaphosphate concentration and cooking time on the physicochemical properties of pasteurized process cheese. Journal Dairy Science. v. 93, p. 2827-2837, 2010.
VAN DENDER, F. G. A. Requeijão cremoso e outros queijos fundidos: tecnologia de fabricação, controle do processo e aspectos de mercado. 2° edição revisada e atualizada. Setembro editora, São Paulo - SP, Brasil, 448p, 2014.
WEISEROVÁ, E., DOUDOVÁ, L., GALIOVÁ, L., ŽÁK, L., MICHÁLEK, J., JANIŠ, R. The effect of combinations of sodium phosphates in binary mixtures on selected texture parameters of processed cheese spreads. International Dairy Journal, 21, 979 – 986, 2011.
CAPÍTULO 2
INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE CADEIA NA HIDRÓLISE DE FOSFATOS DE SÓDIO EM ÁGUA, LEITE E CASEINATO DE CÁLCIO
Diogo Maus, Alvicler Magalhães, Walkiria Hanada Viotto
Resumo
Fosfatos de sódio, com diferentes comprimentos de cadeia, são amplamente utilizados como agentes emulsificantes na fabricação do queijo processado para a estabilização da caseína. A produção de queijos processados envolve etapas de aquecimentos e resfriamento, que podem influenciar no tamanho de cadeia dos fosfatos, devido às reações de hidrólise que ocorrem em função do tratamento térmico, do pH e ambiente iônico. O objetivo desse trabalho foi acompanhar a hidrólise de fosfatos de sódio de diferentes tamanhos de cadeia (triplifosfato (TPS) (n=3), hexametafosfato (HMPS) (n=2-10), polifosfato comercial (OS) (n=2-15) em água, leite e caseinato de cálcio, avaliando a variação do tamanho da cadeia do fosfato em função das etapas de aquecimento e resfriamento, envolvidas na fabricação de queijos processados. Ressonância magnética nuclear de 31P foi utilizada para avaliar a composição e os produtos de hidrólise dos fosfatos. Em água, a hidrólise dos fosfatos se iniciou a partir de 70 °C, sendo que fosfatos de maior tamanho de cadeia apresentaram menor pH em solução e maior porcentagem de hidrólise: polifosfato B 32,9 % (pH 3,61) HMPS 13,6 % (pH 6,60) e TPS 9,0 % (pH 8,90). Já em leite, a hidrólise iniciou a partir de 50 °C, sendo que o TPS apresentou maior porcentagem de hidrólise (23,3 % e pH 8,00), seguindo pelo polifosfato B (20,5 % e pH 6,20) e por último o HMPS (12,1 % e pH 6,8). No caseinato de cálcio, o TPS se hidrolisou a partir de 40 °C, enquanto que o HMSP e polifosfato B sofreram hidrólise a partir de 60 °C. O grau de hidrólise dos fosfatos em caseinato de cálcio (TPS 6,7% pH 7,61; HMPS 7,5% pH 6,80 e polifosfato B 7,2 % pH 6,53) foi menos intenso quando comparado à água e ao leite. Isso provavelmente se deve à menor mobilidade de água no caseinato e ao efeito tampão da caseína, o que resultou em pH mais elevado e menor porcentagem de hidrólise dos fosfatos. Os resultados mostram que a hidrólise dos sais de fosfato ocorre nas condições de processamento de queijos processados, mas sua intensidade depende do pH do queijo e da composição dos sais emulsificantes.
Abstract
Sodium phosphates with different chain lengths are widely used as emulsifiers in the manufacture of processed cheese for the stabilization of casein. The production of processed cheese involves heating and cooling steps, which can influence the phosphate chain length due to hydrolysis reactions that occur due to the heat treatment, pH, and ionic environment. The aim of this study was to follow the hydrolysis of sodium phosphates of different chain lengths (tripolyphosphate (TPS) (n = 3), hexametaphosphate (HMPS) (n = 2-10), commercial polyphosphate B (n = 2- 15) in water, milk and calcium caseinate, using the same conditions of heating and cooling steps used in the manufacture of processed cheese. Nuclear Magnetic Resonance 31P was used to evaluate the phosphates composition and their hydrolysis products. In water, the hydrolysis of the phosphates was started from 70 ° C, with higher chain length phosphate solution showing lower pH and a higher percentage of hydrolysis: polyphosphate B (32.9%; pH 3.61) HMPS (13.6%; pH 6.60) and TPS (9.0%; pH 8.90). In milk, the hydrolysis started from 50 ° C, and the TPS showed a higher percentage of hydrolysis (23.3% and pH 8.00), followed by polyphosphate B (20,5% and pH 6.20) and HMPS (12,1% and pH 6.8). TPS was hydrolyzed in calcium caseinate from 40 ° C, while the HMSP and polyphosphate B underwent hydrolysis from 60 ° C. The degree of hydrolysis of phosphates in calcium caseinate (TPS 6.7%, pH 7.61; HMPS 7.5%, pH 6.80; polyphosphate B 7.2%, pH 6.53) was less intense when compared to water and milk. This low degree of hydrolysis is probably due to the lower water mobility in the caseinate and the buffer effect of casein, which resulted in higher pH and a lower percentage of hydrolysis of phosphates. The results showed that hydrolysis of the phosphate salts occurs in the processing conditions of processed cheeses, but its intensity depends on the pH of the composition of the cheese and emulsifying salts.
1 Introdução
Fosfatos de sódio são sais emulsificantes tradicionalmente utilizados para queijos processados. Possuem grande importância na produção de queijos processados devido à ação sequestrante de cálcio, que leva à dispersão e hidratação da caseína, produzindo uma emulsão homogênea de queijo fundido. De acordo com a temperatura, pH ou ambiente iônico, o comprimento de cadeia do fosfato não permanece constante, devido a reações de hidrólise (Rulliere et al., 2012), que podem ocorrer durante a fusão, cozimento e armazenamento do queijo processado. Em solução, a hidrólise resulta em pirofosfatos e em ortofosfatos, que possuem excelente capacidade tamponante. O poder tampão e a capacidade de se ligar ao cálcio dependem do tamanho da cadeia de fosfato; quanto maior a cadeia, menor a capacidade tampão e maior a capacidade de se ligar ao cálcio (Schär & Bosset, 2002).
Fosfatos são produzidos a partir da reação de condensação de ortofosfatos, através da aplicação de calor e liberação de água, o que resulta em algum nível de hidrólise, com a formação de ortofosfato e fosfatos de cadeia curta coexistindo em uma mistura (Lampila & Godber, 2001). Apenas os fosfatos com número de 2 a 5 fósforos em sua cadeia são obtidos como compostos puros no estado cristalino. Fosfatos com cadeias maiores (n>4) são obtidos com proporções significativas de grupos ortofosfato, fostatos de estrutura cíclica ou até mesmo fosfatos ramificados em sua composição (Kulaev et al., 2004). Em solução, a velocidade da reação de hidrólise aumenta com o aumento da temperatura e diminuição do pH (Maurer-Rothmann & Scheurer, 2005).
A concentração de íon H+ no meio também é de extrema importância para a velocidade de hidrólise, e a concentração desse íon vai aumentando no decorrer do processo hidrolítico, tornando o meio mais ácido (Crowther & Westman, 1954). Em geral, a taxa de hidrólise aumenta com o aumento da temperatura e abaixamento do pH. A concentração também desempenha um papel. Em menor grau, a taxa de hidrólise também é afetada pelo tipo de cátion ligado ao fosfato, e metais alcalinos terrosos tornam o fosfato mais resistente à hidrólise (Jager & Heyns, 1998). Embora termodinamicamente favorecida, a cinética da degradação hidrolítica do fosfato é lenta a pH neutro e temperatura ambiente (Chandler & Kirby, 1992). Cátions metálicos em solução, principalmente aqueles altamente carregados, podem catalisar a hidrólise devido à quelação de cátions pelos átomos de oxigênio do fosfato, resultando numa alta suscetibilidade do átomo de fósforo ao ataque nucleofílico (Dalby et al., 1992).
O leite e seus derivados, como o caseinato, possuem um complexo sistema tampão associado principalmente ao conteúdo mineral e teor de proteína. A capacidade de tamponamento do leite é resultado da soma das capacidades tampão de cada grupo ácido-base individual. As alterações no sistema de fosfato de cálcio, na estrutura proteica e no cálcio micelar alteram esse balanço ácido-base, alterando o pH e influenciando na concentração de íons H+ presentes no meio (Salaun, F.; Mietton, B.; Gaucheron, F., 2005).
O tamanho de cadeia dos fosfatos de sódio influencia diretamente nas características funcionais de queijos processados, melhorando a capacidade emulsificante das proteínas (Guinee et al., 2004). Além disso, os sais de fosfato também exercem ação tampão, especialmente os de cadeia curta, como ortofosfatos e pirofosfatos, que podem estar presentes em concentrações variáveis, tanto devido ao processo de condensação, como devido à possível hidrólise durante o processamento do queijo. Não há na literatura nenhum trabalho que tenha monitorado a possível hidrólise dos fosfatos nas condições de fabricação de queijos processados. Portanto, o objetivo desse trabalho foi avaliar a influência do tamanho de cadeia na hidrólise de fosfatos em água, leite e caseinato, mimetizando as etapas de aquecimento e resfriamento do processo de fabricação de queijos processados.
2 Material e Métodos
2.1 Preparo das soluções para identificação dos fosfatos
Ortofosfato de sódio, pirofosfato dissódico, pirofosfato tetrassódico, tripolifosfato de sódio (TPS) e hexametafosfato de sódio (HMPS) foram comprados da Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA. O polifosfato de sódio comercial B (Self B4.0®), de grau alimentício, foi doado pela Chemische Fabrik Budenheim, Budenheim, Alemanha.
Para a determinação da composição, os seis diferentes fosfatos lineares, variando em tamanho da cadeia, foram diluídos em água milliQ na concentração de 23 mg/mL e adicionado de água deuterada como marcador. As análises de identificação dos fosfatos foram realizadas a 25°C. As soluções de ortofosfato e pirofosfato dissódico e tetrassódico foram utilizadas como padrão de comparação na identificação dos fosfatos presentes nos sais. Para a integração dos sinais, foi utilizado como referência o sinal de ortofosfato, em torno de 0 ppm para soluções neutras.
