MICROENCAPSULAÇÃO POR SPRAY DRYING DE ÓLEO DA
SEMENTE
DE
MARACUJÁ
HOMOGENEIZADO
POR
ULTRASSOM E ROTOR-ESTATOR.
F. de T. DELFINI1, A. G. da S. CARVALHO1, R. L. da CUNHA1, M. D. HUBINGER1
1
Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Departamento de Engenharia de Alimentos.
E-mail para contato: anagabrielaeng@yahoo.com.br
RESUMO – O óleo da semente de maracujá apresenta alto teor de ácidos graxos insaturados, coloração amarela, sabor agradável, porém baixa estabilidade devido ao conteúdo de ácido linoleico (ω-6), de aproximadamente 60%. Para aumentar a estabilidade oxidativa deste óleo e suas formas de aplicação, este trabalho teve como objetivo produzir emulsões através de dois métodos de homogeneização, rotor-estator e ultrassom, com iguais valores de densidades energéticas e realizar a secagem por spray drying. Como agentes encapsulantes foram utilizados goma Arábica, amido modificado (HiCap®100) e proteína de soro de leite na forma pura e combinados (3:1 p/p) com maltodextrina (10 DE). As emulsões (30% de sólidos totais, sendo 24% de material de parede e 6% de óleo) apresentaram comportamento Newtoniano e diâmetro médio de gota entre 0,8 e 3,0 μm. O processo de ultrassom produziu emulsões cineticamente estáveis, sem separação de fase, por 24 horas. As partículas produzidas com HiCap®100 apresentaram maiores valores de eficiência de encapsulação, superiores a 90%. Não foram observadas diferenças morfológicas devido ao método de emulsificação.
1. INTRODUÇÃO
O maracujá (Passiflora edulis) é um fruto tropical originário da América, pertencente à família Passifloraceae. Este fruto é usualmente utilizado para a produção de suco concentrado, no entanto, toneladas de sementes de maracujá são geradas como resíduo deste processo industrial. Essa semente apresenta alto conteúdo de fibra e óleo e muita das vezes é descartada após a extração do suco (Lee et al., 2015; Chau e Huang 2004 ).
O óleo da semente de maracujá apresenta elevado conteúdo de ácidos graxos insaturados (aproximadamente 87%), com destaque para o ácido linoleico, sendo, portanto, um produto com valor econômico e nutricional, podendo ser utilizado pelas indústrias de alimentos ou cosméticos (Ferrari et al., 2004). No entanto, o alto conteúdo de ácidos graxos insaturados faz com que esse óleo apresente
baixa estabilidade oxidativa, sendo um fator limitante para a sua aplicação em diferentes produtos. A microencapsulação por spray drying é um processo bastante empregado para a produção de micropartículas de óleos, flavours, fármacos e pigmentos. No caso de óleos, primeiramente é necessário formar uma emulsão, que consiste na mistura de dois líquidos imiscíveis, como óleo em água, através do processo de homogeneização (McClements, 2005). O processo de microencapsulação permite que gotas ou partículas fiquem presas em uma parede fina formada pelo material de parede, estabelecendo-se assim, uma barreira física que irá proteger o material ativo de interações com o ambiente externo (Gharsallaoui et al., 2007).
O preparo de emulsões a partir do óleo de maracujá, associado ao processo de secagem por spray drying apresenta-se como uma viável alternativa para melhorar a estabilidade oxidativa e ampliar as formas aplicação deste óleo. Neste sentido, este trabalho teve como objetivo estudar o processo de emulsificação do óleo da semente de maracujá através de dois processos de homogeneização, rotor-estator e ultrassom, seguido da secagem em spray dryer. Foram avaliados diferentes materiais de parede, proteína do soro de leite, goma Arábica, amido modificado e a combinações desses agentes com a maltodextrina 10 DE, no comportamento das emulsões e micropartículas.
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1. Matéria-prima
Material de recheio: óleo da semente de maracujá (85,03% de ácidos graxos insaturados, predominando o ácido graxo linoleico (C18:2) com 67,17%, seguidos pelo oleico (C18:1) com 17,06%, palmítico (C16:0) com 11,25% e esteárico (C18:0) com 3,09%) adquirido da empresa Extrair Comércio de Óleos Naturais Ltda (Bom Jesus do Itabapoana, Rio de janeiro, Brasil). Segundo informações do fabricante, este óleo foi obtido por prensagem a frio e filtrado. Os materiais de parede utilizados foram: Maltodextrina 10 DE fornecida pela empresa Cargill Brasil Ingredientes (São Paulo, Brasil), goma Arábica (Instantgum BA) fornecida pela empresa Nexira (São Paulo, Brasil), proteína concentrada de soro de leite (WPC 80) fornecida pela empresa Alibra Ingredientes Ltda (Campinas, Brasil) e o amido modificado (HiCap®100) fornecido pela empresa Ingredion Brasil Ingredientes Industriais Ltda (Mogi-Guaçu, Brasil).
2.2. Métodos
Os materiais de parede foram dispersos em água destilada a 25 °C por 24 horas para completa dispersão. As emulsões foram elaboradas conforme a Tabela 1. A relação material de parede e material de recheio foi mantida constante, 30% de sólidos totais, sendo 24% do material de parede e 6% do óleo de maracujá.
As emulsões foram pré-homogeneizadas em rotor-estator (Ultra Turrax, modelo MA-102, Marconi, Piracicaba, Brasil) a 12.000 rpm por 90 s (Densidade energética = 96,3 J/cm3). Após, seguiu-se com dois tratamentos diferentes de homogeneização, rotor-estator e ultrassom, porém com
densidades energéticas iguais (144,6 J/cm3): I: processo com rotor-estator (Ultra Turrax modelo MA-102, Marconi, Piracicaba, Brasil) realizado a 16.000 rpm por 120 s e II: processo com ultrassom realizado com auxílio de sonda ultrassônica e transdutor Unique Group, modelo DES500 (20 kHz, potência máxima de 800 W, microponteira de titânio de 13 mm de diâmetro), nas condições de 80% da potência máxima do equipamento (640 W) por 50 segundos. A sonda foi mantida fixa em 1,5 cm na emulsão e banho com béquer encamisado a 25 °C.
Tabela 1 - Formulações das emulsões
Amostras Formulações
1 Proteína de Soro de Leite (WPC) 2 Goma Arábica (GA)
3 Amido modificado (HiCap®100)
4 Maltodextrina 10 DE (MD): Proteína de soro de leite (WPC) (3:1) 5 Maltodextrina 10 DE (MD): Goma Arábica (GA) (3:1)
6 Maltodextrina 10 DE (MD): Amido modificado (HiCap®100) (3:1)
As emulsões foram secas em um secador laboratorial (Labplant UK Ltd, modelo SD 06, Hunmanby, Reino Unido) com câmara de secagem de 215 mm × 500 mm e bico atomizador do tipo duplo fluido (orifício de 1,0 mm de diâmetro). A alimentação do secador foi realizada através de uma bomba peristáltica com vazão de alimentação de 11,6 mL/min e vazão do ar de secagem de 300 m3/h. Para a secagem foram utilizadas duas temperaturas: 150 e 180 °C e a temperatura de saída monitorada, 80±2 e 90±2 °C, respectivamente.
1.3. Caracterização das emulsões
Estabilidade: alíquotas de 25 mL de cada emulsão foram transferidas para provetas graduadas de 50 mL, seladas, estocadas a temperatura ambiente e analisadas por 24 horas após o preparo. A estabilidade foi medida através da altura da fase superior, sendo o índice de cremeação (IC) descrito conforme a Equação 1 (Ho representa a altura inicial da fase inferior e H representa a altura da fase superior após 24 horas).
𝐼𝐶(%) = (𝐻
𝐻𝑜) × 100 (1)
Diâmetro médio de gotas: foi utilizada a técnica de espalhamento de luz, através do equipamento de difração a laser Mastersizer (Mastersizer 2000, Malvern Instruments Ltd, Malvern, Reino Unido). Essas medidas foram realizadas a 25 °C, logo após a homogeneização. O diâmetro médio foi determinado considerando-se o diâmetro médio de uma esfera de mesma área (Diâmetro médio superficial - D3,2). O dispersante utilizado foi a água destilada.
Reologia: a viscosidade das emulsões foi feita através da determinação das curvas de escoamento, utilizando um reômetro de tensão controlada (Physica MCR 301 Rheometer, Anton Paar, Graz, Áustria). As medidas foram feitas em triplicata, em geometria cone-placa de 60 mm e Gap de 67 mm, a 25 °C. Os reogramas obtidos foram ajustados de acordo com modelos matemáticos
empíricos para fluidos Newtonianos e Lei da Potência.
1.4. Caracterização das micropartículas
Eficiência de encapsulação: a quantidade de óleo não encapsulada presente na superfície das partículas foi determinada pela extração com hexano (Bae e Lee, 2008). Quinze mililitros de hexano foram adicionados a 1,5 g de amostra em recipiente com tampa, agitado por dois minutos à temperatura ambiente e filtrado em filtro de papel Whatman número 1, seguida de duas lavagens com 20 mL de hexano. O solvente foi evaporado a 60 ºC até peso constante. A quantidade de óleo não encapsulada foi determinada pela Equação 2 (Óleototal considerado o óleo inicial na emulsão, sendo o
óleo da semente de maracujá não volátil e Óleosuperficial a quantidade de óleo na superfície das
micropartículas).
𝐸𝐸(%) = (Ó𝑙𝑒𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− Ó𝑙𝑒𝑜𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
Ó𝑙𝑒𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ) × 100 (2)
Atividade de água e umidade: a atividade de água foi medida em um higrômetro digital AQUALAB, modelo Series 3 TE (Decagon Devices Inc., Pulman, EUA), a 25 °C, em triplicata. A umidade foi determinada gravimetricamente em triplicata, por secagem em estufa de circulação forçada a 105 °C até peso constante (AOAC, 1997).
Diâmetro médio das partículas: o diâmetro médio das partículas foi determinado por um analisador de tamanho de partículas por difração a laser Mastersizer (Mastersizer 2000, Malvern Instruments Ltd, Malvern, Reino Unido). O diâmetro médio foi determinado baseando-se no diâmetro médio de uma esfera de mesmo volume, diâmetro de De Brouckere D4,3, conforme a Equação 3, onde
d é o diâmetro das partículas e n é o número de partículas. As amostras foram analisadas em triplicata, por via úmida, com dispersão em etanol 99,5%.
𝐷4,3 = (∑ 𝑛𝑖
𝑛
𝑖=1 𝑑𝑖4
∑𝑛𝑖=1𝑛𝑖𝑑𝑖3) × 100 (3)
Microestrutura: as micropartículas foram observadas por microscopia eletrônica de varredura. As amostras foram fixadas em porta-espécimes metálicos (stubs) de 12 mm de diâmetro e 10 mm de altura, através do uso de uma fita adesiva dupla face convencional. As amostras foram recobertas através do processo de evaporação de ouro a vácuo e analisadas no microscópio eletrônico de varredura LEO 440i, modelo EDS 6070 (LEO Electron Microscopy Ltd., Cambridge, Inglaterra), operando com 15 kV e corrente do feixe igual a 150 pA. A aquisição das imagens foi realizada pelo LEO software, versão 3.01.
(Teste de Tukey), utilizando-se o software Statistica 7.0 (Statsoft, Tulsa, EUA), p ≤ 0,05.
2. RESULTADOS E DISCUSSÃO
2.1 Caracterização das emulsões
Estabilidade das emulsões e diâmetro médio das gotas: a estabilidade das emulsões após 24 h está apresentada na Tabela 2 e o diâmetro médio das gotas na Tabela 3.
Tabela 2 - Separação de fases das emulsões em função do tempo (24 horas)
Tratamento Formulações Separação de fase (%)
Rotor-Estator GA 0d WPC 0d HiCap®100 0d MD:GA 5,61±0,64c MD:WPC 56,97±3,68a MD: HiCap®100 10,34±0,93b Ultrassom GA 0d WPC 0d HiCap®100 0d MD:GA 0d MD:WPC 0d MD: HiCap®100 0d
Letras minúsculas: comparação entre a estabilidade das emulsões na mesma coluna. Letras iguais são tratamentos estatisticamente iguais a p≤0,05.
Tabela 3 - Diâmetro médio das gotas (D3,2) das emulsões
Formulações Diâmetro médio das gotas D3,2 (µm)
Rotor-estator Ultrassom GA 2,322 ± 0,018e,A 1,323 ± 0,027c,B WPC 2,154 ± 0,015f,A 0,956 ± 0,009d,B HiCap®100 2,692 ± 0,043b,A 0,831 ± 0,017d,B MD:GA 2,562 ± 0,058c,A 2,056 ± 0,042b,B MD:WPC 2,416 ± 0,055d,A 2,373 ± 0,176a,A MD: HiCap®100 3,101 ± 0,069a,A 0,973 ± 0,003d,B
Letras minúsculas: comparação entre o diâmetro médio de gotas na mesma coluna. Letras maiúsculas: comparação entre o diâmetro médio de gotas na mesma linha. Letras iguais são tratamentos estatisticamente iguais a p≤0,05.
Todas as formulações com os materiais de parede combinados com a maltodextrina e homogeneizadas pelo rotor-estator apresentaram instabilidade cinética. A instabilidade dessas emulsões pode ser justificada pelo maior diâmetro médio de gotas produzidas com o rotor-estator, conforme apresentado na Tabela 3. Além disso, a maltodextrina não possui propriedades emulsificantes e a sua maior proporção (3:1 em massa) nas formulações pode ter contribuído para a
separação de fase dessas emulsões. Todas as emulsões homogeneizadas pelo método de ultrassom apresentaram-se estáveis durante 24 horas. Além disso, esse processo de emulsificação proporcionou diâmetro médio de gotas menor (Tabela 3), quando comparado com o processo com rotor-estator, verificando assim, maior estabilidade da emulsão produzida pelo ultrassom.
Reologia: os dados experimentais para as diferentes formulações apresentaram bons ajustes para os modelos Newtoniano e Lei da Potência, obtendo valores de R2 superiores a 99%. Como os valores de n para o modelo da Lei da Potência foram próximos a 1, todas as formulações foram consideradas fluidos Newtonianos (Tabela 4). As formulações compostas por apenas goma Arábica apresentaram maiores valores de viscosidade, necessitando de uma alta taxa de tensão de cisalhamento. A combinação de maltodextrina com os materiais de parede diminuiu a viscosidade das emulsões quando comparadas com as emulsões constituídas pelos agentes puros.
Tabela 4 – Parâmetros obtidos pelo ajuste dos dados experimentais aos modelos
Emulsões Newtoniano Lei da Potência
µ (Pa.s) R2 (%) k (Pa.sn) n R2 (%) GA Rotor-estator 0,077±0,004 99,99 0,081±0,003 0,991±0,003 99,99 GA Ultrassom 0,089 ±0,000 99,99 0,094±0,000 0,988±0,001 99,99 WPC Rotor-estator 0,020±0,001 99,90 0,025±0,001 0,955±0,004 99,99 WPC Ultrassom 0,018±0,000 99,96 0,021±0,000 0,971±0,002 99,99 HiCap®100 Rotor-estator 0,014±0,000 99,97 0,016±0,000 0,981±0,002 99,98 HiCap®100 Ultrassom 0,015±0,000 99,96 0,018±0,000 0,975±0,001 99,99 MD:GA Rotor-estator 0,024±0,000 99,99 0,025±0,001 0,989±0,007 99,99 MD:GA Ultrassom 0,023±0,000 99,98 0,025±0,000 0,982±0,001 99,99 MD:WPC Rotor-estator 0,011±0,000 99,81 0,015±0,001 0,941±0,002 99,98 MD:WPC Ultrassom 0,020±0,000 99,73 0,029±0,001 0,928±0,005 99,99 MD: HiCap®100 Rotor-estator 0,012±0,000 99,97 0,013±0,000 0,983±0,002 99,98 MD: HiCap®100 Ultrassom 0,012±0,000 99,96 0,014±0,000 0,977±0,001 99,98
Onde: μ corresponde à viscosidade (Pa.s); k corresponde ao índice de consistência (Pa.sn); n corresponde ao índice de comportamento e R2 corresponde ao coeficiente de determinação.
2.1 Caracterização das micropartículas
As emulsões preparadas com os materiais de parede na forma pura (GA, WPC e HiCap®100) apresentaram melhores resultados para a estabilidade cinética em ambos os processos de homogeneização e foram selecionadas para o processo de secagem por spray drying.
Eficiência de encapsulação: os resultados de eficiência de encapsulação estão apresentados na Tabela 5. Observou-se que o uso do ultrassom resultou em maiores valores de eficiência de microencapsulação, o que pode ser justificado pelo menor diâmetro de gotas na emulsão obtido por esse processo de emulsificação. De acordo com Soottitantawat et al., 2003, a quantidade de óleo superficial aumenta com o aumento do diâmetro de gotas, como foi verificado para o processo de rotor-estator que apresentou menores valores de eficiência.
Tabela 5 – Eficiência de microencapsulação para as micropartículas produzidas pelos diferentes métodos de homogeneização e temperaturas de secagem
Formulações Eficiência de microencapsulação (%) Rotor-estator (T= 150 °C) Rotor-estator (T= 180 °C) Ultrasssom (T= 150 °C) Ultrassom (T= 180 °C) GA 76,07 ± 1,07b,B 71,12 ± 2,97b,B 89,92 ± 2,70b,A 84,80 ± 1,95b,A
HiCap®100 90,37 ± 2,60a,B 90,71 ± 0,10a,B 99,61 ± 0,07a,A 98,75 ± 0,81a,A
WPC 48,50 ± 0,86c, A,B 43,05 ± 4,26c,B 55,07 ± 1,41c, A,B 59,44 ± 4,3c,A
Letras minúsculas: comparação entre a eficiência de encapsulação na mesma coluna. Letras maiúsculas: comparação entre a eficiência de encapsulação na mesma linha. Letras iguais são tratamentos estatisticamente iguais a p≤0,05. T corresponde a temperatura de secagem no Spray Dryer.
Atividade de água e umidade: a atividade de água das micropartículas variou entre 0,106 e 0,233 e o conteúdo de umidade entre 1,62 e 4,41% b.u., sendo esses valores esperados para produtos obtidos por spray drying.
Diâmetro médio das partículas: as micropartículas apresentaram diâmetro médio entre 15 e 36 µm, e houve diferenças significativas entre os materiais de parede, métodos de homogeneização e temperaturas de secagem. A amostra produzida com HiCap®100 e rotor-estator, seca a 180 °C, apresentou o maior diâmetro médio entre as partículas.
Microestrutura: a morfologia das micropartículas está apresentada na Tabela 6. Tabela 6 – Microestrutura das micropartículas com aumento de 3000x
Amostra Rotor-estator (T= 150 °C) Rotor-estator (T= 180 °C) Ultrasssom (T= 150 °C) Ultrassom (T= 180 °C) GA HiCap®100 WPC
As micropartículas apresentaram diferentes tamanhos, típico do processo de spray drying, com a presença de partículas murchas e rugosas e partículas cheias e com superfície lisa. Não foram
observados orifícios evidentes ou rachaduras o que é interessante para evitar a permeação de oxigênio e degradação do óleo microencapsulado. Conforme pode ser visualizado na Tabela 6, as micropartículas produzidas com goma Arábica apresentaram estruturas mais murchas com a presença de rugosidades. Já o uso do HiCap®100 como material de parede resultou em partículas com superfícies lisas e cheias com formato esférico. As partículas produzidas com WPC apresentaram estruturas mais cheias com formato esférico e superfícies lisas.
3. CONCLUSÃO
Utilizando a mesma densidade energética, o uso do ultrassom mostrou ser um método de homogeneização eficiente para as emulsões. As emulsões compostas pelos materiais puros, GA, HiCap®100 e WPC, apresentaram-se estáveis por 24 horas, sem separação de fases pelos métodos de homogeneização por ultrassom e rotor-estator. No entanto, a combinação desses materiais com MD (3:1 em massa) e uso do rotor-estator produziu emulsões instáveis cineticamente.
As temperaturas de secagem utilizadas (150 e 180 ºC) não influenciaram na eficiência de microencapsulação e nas microestruturas externas das partículas. O HiCap®100 como material de parede e o processo de homogeneização pelo ultrassom é uma interessante alternativa para a microencapsulação do óleo da semente de maracujá.
4. REFERÊNCIAS
AOAC. Official Methods of Analysis. 16. ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington DC, EUA, 1997.
BAE, E. K.; LEE, S. J. Microencapsulation of avocado oil by spray drying using whey protein and maltodextrin. J. Microencapsulation, v. 25, n. 8, p. 1-12, 2008.
CHAU, C. F.; HUANG, Y. L. Characterization of passion fruit seed fibres – a potencial fibre source. Food Chem., v. 85, p.189-194, 2004.
FERRARI, R. A.; COLUSSI, F; AYUB, R. A. Caracterização de subprodutos da industrialização do maracujá – aproveitamento das sementes. Rev. Bra. Frutic., Jaboticabal – SP, v. 26, n. 1, p 101-102, 2004.
GHARSALLAOUI, A.; ROUDAUT, G.; CHAMBIN, O.; VOILLEY, A.; SAUREL, R. Applications of spray-drying in microencapsulation of food ingredients: An overview. Food Res. Int., v. 40, n. 9, p. 1107-1121, 2007.
LEE, S. Y.; FU, S. Y.; CHONG, G. H. Ultrasound-assisted extraction kinetics, fatty acid profile, total phenolic content and antioxidant activity of green solvents’ extracted passion fruit oil. Int. J. Food Sci. Technol., v. 50, p.1831–1838, 2015.
MCCLEMENTS, D. J. Food Emulsions: Principles, Practice and Techniques. 2 ed. Boca Raton: CRC Press., 2005. 609 p.
SOOTTITANTAWAT, A.; YOSHII, H.; FURUTA, T.; OHKAWARA, M.; LINKO, P. Microencapsulation by spray drying: influence of emulsion size on the retention of volatile compounds. J. Food Sci., 68(7), p. 2256-2263, 2003.
