outubro de 2013
Sara Filipa Fernandes Faria
Obtenção de esferas de alginato com centro
líquido – Desenvolvimento de novos produtos
UMinho|20 13 Sar a F ilipa F ernandes F aria
Obtenção de esferas de alginato com centro líquido – Desenvol
vimento de no
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Biológica
Ramo Tecnologia Química e Alimentar
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Francisco Miguel Portela Gama
Co-orientadora na Empresa
Doutora Maria Helena Teixeira Gomes
outubro de 2013
Sara Filipa Fernandes Faria
Obtenção de esferas de alginato com centro
líquido – Desenvolvimento de novos produtos
ii
e-mail: sarafaria_88@hotmail.com
C.C.: 13585091
Título da dissertação: Obtenção de esferas de alginato com centro líquido –
Desenvolvimento de novos produtos
Orientador: Professor Doutor Francisco Miguel Portela Gama
Co-orientadora na Empresa: Doutora Maria Helena Teixeira Gomes
Ano de conclusão: 2013
Mestrado Integrado em Engenharia Biológica
Ramo Tecnologia Química e Alimentar
DE ACORDO COM A LEGISLAÇÃO EM VIGOR, NÃO É PERMITIDA A REPRODUÇÃO DE QUALQUER PARTE DESTA DISSERTAÇÃO
Universidade do Minho, ___/___/______
iii
Agradecimentos
Quero agradecer à Frulact por possibilitar a realização do estágio curricular no qual se desenvolveu a dissertação, pelo bom ambiente, ajuda e auxílio existente na empresa e pela acreditação no trabalho dos estagiários.
À Doutora Maria Helena Gomes pela orientação e dedicação ao longo do projeto, e na elaboração desta dissertação.
Ao meu orientador, Doutor Miguel Gama, pela orientação científica e ajuda na correção da dissertação.
Às minhas colegas de estágio pelo bom humor, boa disposição e cooperação presentes no decorrer deste projeto.
À minha mãe, avó, familiares, amigos e colegas pelo apoio, motivação e paciência na realização deste projeto e ao longo do meu percurso académico.
v
Sumário
O alginato é um hidrocolóide com bastante aplicabilidade na indústria alimentar resultante das suas propriedades espessantes, estabilizantes e gelificantes. O seu poder gelificante tem suscitado um enorme interesse por parte das empresas alimentares devido à capacidade de encapsulamento de ingredientes alimentares.
Neste seguimento, o principal objetivo da presente dissertação consistiu no desenvolvimento e na caracterização de esferas de alginato com centro líquido. Para a sua concretização começou por estudar-se o método de produção de esferas por gelificação. Foram avaliados dois processos de gelificação, por difusão e inversa, sendo este último processo o que permitiu obter as esferas pretendidas. Formulações com concentrações de hidrocolóides distintas foram testadas com o propósito de verificar se ocorria formação de esferas. Posteriormente estudou-se a influência das variáveis do processo na produção e características das mesmas.
Às condições pré-estabelecidas, todas as formulações permitiram a formação de esferas, umas com maior sucesso que outras. O estudo do número de utilizações da mesma solução de alginato para os tempos de contacto estudados mostrou que este não se esgota logo na primeira utilização, permitindo o seu reaproveitamento. Além disso, mostraram não apresentar grande influência na variação da resistência mecânica das esferas. As esferas com maior concentração de alginato mostraram ser mais resistentes à compressão e com o tratamento térmico revelaram que este tem influência na resistência mecânica das mesmas a diferentes concentrações de alginato. Demonstrou-se que as esferas com maior concentração de cálcio apresentam uma espessura da película e resistência mecânica superior e a utilização de cloreto de cálcio na produção de esferas de alginato mostrou que as mesmas apresentam maior resistência e espessura comparativamente às esferas com lactato de cálcio. A adição de glicerol e a variação da temperatura da solução de alginato demostraram não influenciar a esfericidade e a resistência mecânica das esferas, respetivamente. Na adição de ácido málico observou-se uma ligeira diminuição do peso das esferas.
A avaliação da estabilidade das esferas permitiu concluir que as esferas não sofrem grandes alterações em termos de peso, resistência mecânica e esfericidade ao longo do tempo.
vii
Abstract
Alginate is a hydrocolloid with quite applicable in the food industry due to their thickening, stabilizing and gelling properties. The gelling capacity has caused a huge interest from food companies due to the ability to encapsulate food ingredients.
Based on this idea, the main purpose of this thesis was the development and characterization of alginate beads with liquid center. The study of the method of producing beads for gelation was the start. Two processes of gelation were evaluated, gelation by diffusion and reverse gelation. Reverse gelation was the process which allowed obtaining the desired beads. Formulations with different concentrations of hydrocolloid were tested in order to check if the formation of beads occurred. Finally, it was evaluated the influence of process variables in production and their characteristics.
The studied formulations allowed the production of beads, in pre-defined conditions; however some were more successful than others. The study of the number of uses of the same alginate solution for studied contact times has shown that this is not exhausted on the first utilization, allowing its reuse. The studied contact times have shown not have much influence on the variation of the mechanical resistance of the beads. The beads with higher alginate concentration have shown to be more resistant to compression. With the heat treatment, the beads have revealed that pasteurization influences the mechanical strength thereof at different alginate concentrations. It was demonstrated that the beads with higher concentrations of calcium have presented greater film thickness and mechanical strength. The use of calcium chloride for the production of alginate beads has shown that they have greater strength and thickness compared to the beads obtained from calcium lactate. The beads with higher concentrations of calcium have presented greater thickness and mechanical strength. The incorporation of glycerol and the variation of the alginate solution temperature have shown that glycerol and the alginate solution temperature did not influence the mechanical strength and sphericity of beads, respectively. In the malic acid addition has observed a slight decrease in the weight of beads.
The evaluation of the stability of beads allowed concluding that the beads do not suffer big changes in weight, mechanical strength and sphericity over time.
ix
Índice
Agradecimentos ... iii Sumário ... v Abstract ... vii Índice ... ixÍndice de Tabelas ... xii
Índice de Figuras ... xiii
Lista de abreviaturas e siglas ... xvi
1.INTRODUÇÃO ... 1
1.1.Contexto e Motivação... 3
2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 7
2.1.Hidrocolóides ... 9
2.1.1.Caracterização dos Hidrocolóides ... 11
2.1.2.Alginato ... 13
2.1.2.1.Produção comercial de alginatos ... 14
2.1.2.2.Propriedades estruturais ... 15 2.1.2.3.Propriedades Físicas ... 18 2.1.2.3.1.Ligações iónicas ... 18 2.1.2.3.2.Solubilidade ... 19 2.1.2.3.3.Hidratação ... 20 2.1.2.3.4.Estabilidade ... 21 2.1.2.3.5.Viscosidade ... 22 2.2.Gelificação do alginato ... 23 2.2.1.Géis alginato-cálcio ... 24 2.2.2.Sinerese ... 26
2.2.3.Técnicas de formação de gel ... 26
2.2.3.1.Gelificação por difusão ... 28
2.2.3.2.Gelificação interna ... 30
2.2.3.3.Gelificação por arrefecimento... 32
2.3.Esferas de alginato na indústria alimentar ... 32
x
3.2.1.Textura (Resistência mecânica) ... 43
3.2.2.Viscosidade ... 44
3.3.Fatores que influenciam as características das esferas de alginato ... 45
3.3.1.Efeito do polímero do preparado contendo cálcio ... 45
3.3.2.Estudo do número de utilizações da solução de alginato até ao seu esgotamento ... 46
3.3.3.Efeito da concentração de alginato ... 47
3.3.4.Efeito da concentração e fonte de cálcio ... 47
3.3.5.Efeito da temperatura e do glicerol ... 48
3.3.6.Efeito da adição de ácido málico ao preparado ... 49
3.3.7.Efeito da temperatura de pasteurização ... 50
3.3.8.Estabilidade das esferas ao longo do tempo ... 51
3.4.Análise Estatística ... 51
4.RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 53
4.1.Efeito do polímero do preparado contendo cálcio ... 55
4.2.Estudo do número de utilizações da solução de alginato até ao seu esgotamento .. . ... 57
4.3.Efeito da concentração de alginato ... 59
4.4.Efeito da concentração e fonte de cálcio... 63
4.5.Efeito da temperatura e do glicerol... 66
4.6.Efeito da adição de ácido málico ao preparado ... 68
4.7.Efeito da temperatura de pasteurização ... 71
4.7.1.Pasteurizações sucessivas ... 71
4.7.2.Efeito da temperatura e da distância de compressão ... 73
4.8.Estabilidade das esferas ao longo do tempo... 74
5.CONCLUSÃO ... 79
BIBLIOGRAFIA ... 85
ANEXOS ... 93
Anexo A.1- Fotografias da análise da textura das esferas utilizando a placa de compressão ... 95
xi
Anexo A.4- Equipamento laboratorial utilizado na análise das propriedades físico-químicas das esferas ... 99 Anexo A.5- Exemplo dos resultados obtidos no programa SPSS, utilizando o teste de Duncan ... 101
xii
Índice de Tabelas
Tabela 1. Funções e aplicações de alguns hidrocolóides mundialmente comercializados . ... 10 Tabela 2. Sais de cálcio frequentemente aplicados na combinação com o alginato. ... 27 Tabela 3. Formulação base utilizada em alguns dos ensaios realizados ... 41 Tabela 4. Formulações estabelecidas para a produção de esferas de alginato com centro líquido. ... 46 Tabela 5. Valores de viscosidade, TSS e pH para cada uma das formulações estudadas. ... 55 Tabela 6. Variação dos valores de pH para as diferentes concentrações e fontes de cálcio. ... 65 Tabela 7. Imagens fotográficas de um conjunto de 10 esferas quando sujeitas a diferentes concentrações de glicerol. ... 68 Tabela 8. Valores de Brix e pH da calda e das esferas armazenadas nesta. ... 78
xiii
Índice de Figuras
Figura 1. Esquema ilustrativo do processo de extração e purificação do alginato. ... 15 Figura 2. Estruturas dos constituintes do alginato. ... 16 Figura 3. Ligação de catiões divalentes com o alginato – modelo “egg box”. ... 19 Figura 4. Variação da viscosidade de alginato em função da sua concentração e peso molecular.. ... 23 Figura 5. Gelificação do alginato com iões cálcio no modelo “egg-box”. ... 24 Figura 6. Exemplo de produção de géis de alginato por difusão. ... 28 Figura 7. Formação de géis de alginato através de um banho de cloreto de cálcio ou por spray de cloreto de cálcio. ... 29 Figura 8. Gelificação de alginato por difusão. ... 30 Figura 9. Exemplo de produção de géis de alginato por gelificação interna (Técnica CaCO3-GDL). ... 31
Figura 10. Gelificação interna. ... 32 Figura 11. Equipamento para encapsulação de um liquido ou suspensão com o alginato. ... 34 Figura 12. Produção de esferas utilizando moldes de silicone hemisféricos. ... 35 Figura 13. Secção transversal de uma cápsula “seamless” mostrando uma casca sólida e um centro líquido. ... 36 Figura 14. Esquema exemplificativo de produção de esferas com um bocal multitubular e um banho de arrefecimento. ... 36 Figura 15. Esquema geral do procedimento experimental. ... 42 Figura 16. Variação da Força de Compressão das esferas com o número de utilização da mesma solução de alginato para os tempos de contacto 2-3 min (p-value <0,001), 3-4 min (p-value <0,001) e 4-5 min (p-value =0,003), e análise estatística associada. ... 58 Figura 17. Efeito da concentração de alginato a 0,50 % (m/m) e 0,80 % (m/m) na firmeza das esferas e análise estatística associada. ... 60 Figura 18. Variação da Força de compressão em função da concentração de alginato (0,50 % (m/m) e 0,80 % (m/m)) e do número de pasteurizações (90 °C, 3 min) com respetiva análise estatística associada. ... 61
xiv
associada. ... 62 Figura 20. Variação da Força de compressão das esferas em função da fonte e da concentração de cálcio, e respetiva análise estatística associada (quando fixada a fonte de cálcio). ... 63 Figura 21. Variação da espessura da película das esferas em função da fonte e da concentração de cálcio, e respetiva análise estatística associada (quando fixada a fonte de cálcio). ... 63 Figura 22. Variação da Força de compressão das esferas em função da temperatura da solução de alginato a que ocorre a gelificação, e respetiva análise estatística associada (p-value = 0,467)... 66 Figura 23. Variação do fator de esfericidade em função da concentração de glicerol
(p-value = 0,699). ... 67
Figura 24. Evolução da massa das esferas (n = 10), sem ácido málico, ao longo de 18 dias e respetiva análise estatística associada. ... 69 Figura 25. Evolução da massa das esferas (n = 10), com ácido málico, ao longo de 55 dias e respetiva análise estatística associada. ... 70 Figura 26. Variação da Força de compressão em função do tempo de contacto das esferas e da pasteurização e respetiva análise estatística, quando o número da pasteurização é fixado. ... 72 Figura 27. Variação da Força de Compressão das esferas quando sujeitas a dois binómios de pasteurização diferentes e respetiva separação de médias antes da pasteurização (letras minúsculas) e após tratamento térmico (letras maiúsculas). ... 73 Figura 28. Variação da Força de compressão em função do número de pasteurização das esferas quando sujeitas à distância de compressão de 5 mm e 7 mm, e respetiva análise estatística associada (p-value <0,001). ... 74 Figura 29. Variação da Força de compressão das esferas não pasteurizadas durante 18 dias e respetiva análise estatística associada. ... 75 Figura 30. Variação da Força de compressão das esferas pasteurizadas durante 18 dias e respetiva análise estatística associada. ... 75 Figura 31. Variação da massa individual das esferas com Brix esferas esmagadas e das esferas com Brix interior esferas durante 55 dias, e respetiva análise estatística. ... 76
xv
Figura 33. Perfil de textura das esferas sem pasteurização e com rebentamento das mesmas. ... 96 Figura 34. Perfil de textura das esferas com pasteurização e rebentamento das esferas. 96 Figura 35. Perfil de textura das esferas com e sem pasteurização, e sem rebentamento das esferas. ... 97 Figura 36. Refratómetro RFM732, B+S (Bellingham+Stanley Ltd). ... 99 Figura 37. Potenciómetro Consort C860. ... 99 Figura 39. Viscosímetro rotacional Brookfield DV-II + Pro(Brookfield Engineering Laboratories, Inc.). ... 99 Figura 38. Texturómetro TA. XTplus(Stable Mycro Systems)... 99 Figura 40. Viscosímetro Bostwick. ... 100
xvi
Lista de abreviaturas e siglas
Ba2+ Ião bário
CaCl2 Cloreto de cálcio
Ca2+ Ião cálcio
Ca-lactato Lactato de cálcio CMC Carboxometilcelulose
EDTA Ethylenediamine tetraacetic acid (ácido etilenodiamino tetra-acético) G Ácido α-L-gulurónico
PGA Propylene Glycol Alginate (Alginato de propilenoglicol) M Ácido β-D-manurónico
Mg Magnésio
pKa Constante de dissociação RMN Ressonância magnética nuclear Sr Estrôncio
TSS Teor de sólidos solúveis α Nível de significância n Número de esferas
FAO Food and Agriculture Organization GDL Glucono delta-lactone
3
1.1. Contexto e Motivação
Definir um produto, processo ou serviço consiste na parte mais importante do processo de inovação. A identificação de uma oportunidade de negócio e a descrição de como, através do processo de inovação, é possível potenciar essa oportunidade representam os dois objetivos centrais desta fase.
Empresas alimentares procuram desenvolver novos produtos rentáveis, competitivos e que garantam a sustentabilidade da empresa[1]. Além disso, desejam satisfazer os desejos e as necessidades dos clientes[2]. Investigar, Desenvolver e Inovar são três palavras que combinam perfeitamente com a Frulact, que investe anualmente 2,6 % do seu volume de negócios, com o objetivo de crescer, desenvolver novos produtos e alargar o seu mercado de vendas[3].
Fundada na Maia em 1987, a Frulact é uma empresa do ramo agro-alimentar produtora de preparados de fruta com aplicação na indústria de lacticínios, gelados, pastelaria e bebidas[4]. Detentora de sete fábricas distribuídas por países como Portugal, França, Argélia, Marrocos e África do Sul, a Frulact tem como clientes as grandes multinacionais Nestlé, Danone, Unilever, Clesa, Lactalis, e empresas mais regionais como o caso da Lactogal em Portugal e da Leche Pascual em Espanha[3].
Dos mais de 100 milhões de euros em vendas atingidos em 2013, apenas cerca de 4 % representa o mercado interno português. A Frulact tem 43 % do seu negócio em França, onde representa a terceira maior quota de mercado desse país, e cerca de 20 % em Espanha[3].
O desenvolvimento deste projeto, realizado no departamento de Inovação da Frulact, pretende a produção de esferas de alginato, de dimensões consideráveis e que mantenham no interior uma solução (xarope/sumo) líquida. Este produto tem como propósito a sua incorporação em produtos alimentares, como bebidas.
Os alginatos, sem valor nutricional, são utilizados como aditivos no melhoramento, modificação e estabilização da textura de determinados produtos
4
alimentares[5]. Estes polissacáridos apresentam uma diversidade bastante elevada relativamente à sua composição química e sequência monomérica, resultando numa grande variedade de propriedades físicas e biológicas[6]. Algumas dessas propriedades estão associadas às características físicas inerentes do alginato em si, enquanto que outras resultam de interações com outros componentes do produto alimentar, como por exemplo, proteínas, gordura, ou fibras[5]. O alginato de sódio utilizado neste estudo é um aditivo (E401) aceite pela Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA) como estabilizante, espessante, emulsionante e gelificante.
Várias definições de gel têm surgido, ao longo dos anos, pela comunidade científica, contudo a sua definição clássica refere-se a um sólido, aparentemente de material gelatinoso, formado de uma dispersão coloidal, em que o meio disperso encontra-se no estado líquido e o meio dispersante no estado sólido. Em termos moleculares, a gelificação consiste num processo de formação de uma rede tridimensional de macromoléculas, estabelecendo interações de diferente natureza entre cadeias de polímeros, possibilitando o aprovisionamento de uma quantidade de solvente[7].
A simplicidade de produção de géis alginato-Ca (gelificação independente da temperatura) faz com que o alginato seja bastante requisitado e aplicado na indústria alimentar para a produção de novos produtos, como é o caso das bagas de cocktail e recheios de pimento verde-oliva, que já se encontram no mercado[5].
Assim, pode-se prever que as moléculas de alginato constituam um desafio interessante para os utilizadores no desenvolvimento de novos produtos na área alimentar.
O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de esferas de alginato com centro líquido por um processo de gelificação. Foram testados dois processos de gelificação: gelificação por difusão e gelificação inversa. Encontrada a tecnologia e a formulação mais adequada para produzir estas esferas de alginato, foram realizados estudos de análise do comportamento quando sujeitas a determinados fatores externos, como tempos de contacto e temperatura da(s) solução(ões). Avaliou-se a influência da variação de determinados parâmetros, como concentração de alginato e fonte de cálcio, na estrutura das esferas. Posteriormente observou-se a estabilidade das mesmas quando
5
sujeitas a tratamento térmico ou quando acondicionadas numa solução com o mesmo ºBrix e pH.
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2.1. Hidrocolóides
“Hidrocolóide” é o termo utilizado para descrever os polissacáridos e proteínas que são largamente aplicados numa variedade de setores industriais com o objetivo de realizar inúmeras funções como espessantes, emulsionantes, estabilizantes, agentes de suspensão e gelificação, entre outras[8]. Provenientes de fontes como plantas, algas, animais e bactérias[9], a utilização destes materiais tem acrescido nos últimos anos, onde mesmo em concentrações inferiores a 1 % conseguem ter um efeito significativo nas propriedades texturais e organoléticas dos produtos alimentares[8].
As mudanças no estilo de vida, a crescente consciência da relação entre dieta e saúde e as novas tecnologias de processamento promoveram o aumento da procura de refeições prontas, alimentos funcionais e com pouca gordura. Vários produtos contendo hidrocolóides têm sido desenvolvidos, propositadamente, para aplicação como substitutos de gordura em alimentos. Esta situação conduziu, assim, a um acréscimo na procura de hidrocolóides[8].
Num estudo realizado sobre a empregabilidade dos hidrocolóides na indústria e não incluindo o amido que representa o polissacárido com maior aplicabilidade, os galactomananos (goma guar e goma de alfarroba), carragenanos e agares, goma-arábica, pectinas, alginatos, carboxometilcelulose (CMC) e goma xantana são os polissacáridos com maior consumo mundial por ordem decrescente (Tabela 1)[10].
A seleção do hidrocolóide a aplicar num determinado processo é ditada pelas características funcionais necessárias, mas também pelo preço. O amido, espessante com maior consumo mundial, apresenta um custo normalmente inferior a $ 1/kg, contudo, a goma xantana, com um custo de $ 12/kg, está a tornar-se um espessante de eleição em muitas aplicações. Isto acontece porque a goma xantana apresenta um comportamento reológico único e a sua crescente utilização resultou numa forte concorrência entre as empresas fornecedoras garantindo, assim, que o preço se mantenha a níveis baixos[8].
10
Tabela 1. Funções e aplicações de alguns hidrocolóides mundialmente comercializados [10].
Hidrocolóide Função Aplicação
Goma guar e goma de alfarroba
Estabilizante, retenção de água Lacticínios, gelados, sobremesas, panificação Carragenano Estabilizante, espessante,
gelificante
Gelados, pudins flan, produtos de carne, molhos, pudins
instantâneos
Ágar Gelificante Lacticínios, confeitaria, produtos de carne
Goma arábica Estabilizante, espessante, emulsionante, agente de
encapsulação
Confeitaria, panificação, bebidas, molhos
Pectina Gelificante, espessante, estabilizante
Geleias, conservas, bebidas, confeitaria, lacticínios Alginato Estabilizante, gelificante Gelados, pudins instantâneos,
bebidas
Goma xantana Estabilizantes, Espessante Molhos, bebidas, lacticínios, panificação
CMC Estabilizante, espessante, retenção de água
Gelados, massas, xaropes, misturas para bolos, carnes Amidos modificados Estabilizantes, emulsionantes Panificação, confeitaria, sopas
Cada hidrocolóide tem as suas próprias características funcionais resultantes da sua estrutura química, forma e tamanho molecular[9]. Estas moléculas de elevado peso molecular possuem propriedades coloidais que combinado com um solvente apropriado produzem soluções, suspensões com elevada viscosidade ou géis com baixo teor em matéria seca[11].
Determinados hidrocolóides formam géis termorreversíveis e existem casos onde a gelificação ocorre por arrefecimento ou aquecimento. Contudo, há hidrocolóides com capacidade de produção de géis não termorreversíveis e nestes casos a gelificação pode ser incentivada por cadeias poliméricas reticuladas com catiões divalentes[8].
Para que a formação do gel ocorra é necessário a existência de uma concentração mínima crítica que varia de hidrocolóide para hidrocolóide. O ágar tem a capacidade de formar géis a concentrações tão baixas como 0,2 %, enquanto que para um amido diluído em ácido é necessário uma concentração de aproximadamente 15 %[8]. A força de um gel aumenta com o acréscimo da concentração, mas também a massa molecular é
11
relevante na textura do mesmo. Tem sido demonstrado que a resistência do gel aumenta com o aumento da massa molecular até um determinado valor, mas torna-se independente da massa molecular para valores mais elevados[8].
As combinações sinérgicas entre hidrocolóides constitui uma mais-valia no processamento alimentar. Estas misturas são normalmente utilizadas para conferir características reológicas novas e melhoradas nos produtos alimentares. Exemplos clássicos como a mistura de goma de alfarroba e kappa carragenano conseguem produzir géis macios mais transparentes. A goma xantana e a goma de alfarroba, que individualmente são incapazes de formar um gel, quando combinadas produzem um gel forte e coeso[12]. Uma seleção cuidada do tipo e concentração de hidrocolóide pode levar à formação de uma vasta gama de texturas de gel, o que leva a que esta área seja vista com especial atenção[8].
2.1.1. Caracterização dos Hidrocolóides
A aplicação de hidrocolóides no processamento alimentar incita a que a priori sejam conhecidas algumas características destes. Para uma melhor compreensão do comportamento de alguns hidrocolóides exibidos na Tabela 1, apresentar-se-á de seguida uma breve descrição dos mesmos.
Os amidos, hidrocolóides com maior emprego alimentar, são provenientes de fontes como sementes (trigo, milho, arroz, cevada) e raízes (batata, mandioca / tapioca)[13]. Como muitos não possuem as propriedades funcionais necessárias para conferir ou manter as qualidades desejadas nos alimentos, os amidos são sujeitos a modificações para posterior utilização no melhoramento de parâmetros como viscosidade, estabilidade, textura, aparência e emulsificação[13]. Estes amidos modificados são insolúveis em água fria (se não sofreram pré-gelatinização durante a sua modificação)[14] e para que ocorra a formação de uma solução viscosa é necessário que a solução sofra um aquecimento[15]. O processo de aquecimento do amido denomina-se de gelatinização e consiste na penetração da água nos grãos de amido, modificando a sua estrutura através do inchamento dos grânulos com possibilidade de
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rebentamento dos mesmos (caso exista água suficiente) criando uma dispersão viscosa[15].
Os galactomananos consistem em hidratos de carbono macromoleculares multifuncionais presentes em várias sementes albuminosas ou endospérmicas [16]. A goma de alfarroba e a goma de guar são os galactomananos com maior interesse comercial. A goma de alfarroba é insolúvel em água fria e tem de sofrer um aquecimento para ser dissolvida. A sua viscosidade máxima é atingida quando é aquecida até 95 ºC, seguida de um arrefecimento. Sozinha, a goma de alfarroba é não gelificante mas combinada com a goma xantana possui capacidades gelificantes. Este polissacárido não iónico é estável na gama de pH 3,5-11. As principais funções da goma alfarroba são a capacidade espessante, estabilizante e inibição de sinerese[17].
Comparada com a goma de alfarroba, a goma guar apresenta maior solubilidade e hidrata completamente em água fria. A viscosidade deste polissacárido depende da temperatura, pH, tempo, concentrações, grau de agitação e tamanho da partícula. Como a goma guar é não iónica, apresenta estabilidade entre o pH 4 e 10. É não gelificante e funciona como espessante, estabilizante e ligante de água[17]. Interage de forma sinergética com a goma xantana, aumentando a viscosidade da solução.
Os carragenanos são hidrocolóides extraídos a partir das algas vermelhas e constituídos por três componentes principais, iota, kappa e lambda carragenano[17]. Os
iota e kappa carragenanos possuem capacidade gelificante e são termorreversíveis,
enquanto os lambda carragenanos não possuem essa capacidade mas têm poder espessante[17].
Assim como o carragenano, o agar é extraído das algas vermelhas (Rhodophyceae). Apresenta insolubilidade em água fria e hidrata quando sujeito a temperaturas elevadas. Soluções de arrefecimento abaixo dos 40 ºC originam géis frágeis muito firmes que podem ser derretidos pelo aquecimento acima dos 85 ºC. Além da capacidade gelificante, o ágar possui propriedades espessantes e estabilizantes[18].
Relativamente às pectinas, estas são extraídas a partir das cascas de citrino e da polpa de maçã, e encontram-se disponíveis comercialmente com um grau de metil-esterificação alto ou baixo[19]. O grau de metilação e esterificação determinam a velocidade de gelificação e a força de um gel de pectina[17]. Pectinas de baixa metoxilação requerem uma quantidade controlada de iões cálcio para a formação de géis
13
que pode ocorrer dentro da gama de pH 2,9-5,5 e com um teor de sólidos solúveis de 10 a 80 %. Os géis resultantes são termorreversíveis, mais macios e elásticos comparativamente aos géis produzidos através das pectinas de alta metoxilação. Neste tipo de pectina é necessário que o processo de gelificação ocorra em condições ácidas (pH entre 2,0 e 3,5) e com um teor em sólidos solúveis de 55 % ou mais[17]. Apesar da sua principal característica ser a capacidade gelificante, atualmente, as pectinas são também empregues como agentes de estabilização e espessamento[19].
A goma xantana foi a primeira goma a ser produzida por fermentação microbiana. Este polissacárido de elevado peso molecular apesar de não ser gelificante, quando combinado com a goma de alfarroba consegue produzir géis elásticos e termorreversíveis. É solúvel em água quente ou fria e produz viscosidades elevadas a baixas concentrações. Além disso, apresenta uma excelente estabilidade ao calor e pH. As suas viscosidades não sofrem qualquer alteração em toda a gama de temperatura entre 0 ºC e 100 ºC e no intervalo de pH 1 a 13. Soluções com goma xantana são pseudoplásticas, o que ajuda a conferir uma boa libertação de aroma, paladar e melhoramento da estética visual de um produto alimentar. A goma xantana é bastante requisitada nos produtos alimentares devido à sua capacidade espessante, estabilizante e de suspensão[17].
O alginato e as suas capacidades gelificantes serão abordados pormenorizadamente nos pontos seguintes, uma vez que este hidrocolóide está relacionado com o objetivo do trabalho.
2.1.2. Alginato
Descrito pela primeira vez pelo químico britânico Stanford, em 1881, o alginato representa o polissacárido mais abundante nas algas castanhas da classe Phaeophyceae, compreendendo até 40 % da matéria seca[5]. Este polissacárido está presente na matriz intercelular, comportando-se como um gel que contêm iões sódio, cálcio, magnésio, estrôncio e bário[5].
Além das algas marinhas existem outros organismos com capacidade para sintetizar alginato, como é o caso das bactérias do solo (Azotobacter vinelandii, A.
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crococcum e várias espécies de Pseudomonas). A Azotobacter vinelandii foi avaliada
como uma possível fonte para produção industrial de alginatos, porém todos os alginatos comercializados atualmente, são extraídos de algas[6].
O alginato é um produto natural em que a quantidade e as propriedades deste polissacárido podem variar dependendo das espécies, condições de crescimento e ciclo reprodutivo do organismo[20]. As suas aplicações industriais estão diretamente relacionadas com a capacidade de retenção de água, propriedades gelificantes e estabilizantes, e a capacidade de alterar a viscosidade dos sistemas onde é incorporado[6].
2.1.2.1. Produção comercial de alginatos
A produção anual de alginato, a partir de algas, está estimada em aproximadamente 38000 toneladas[21]. Empresas como a China Seaweed Industrial Association e a FMC Biopolymer (USA) recorrem a algas como a Laminaria
hyperborea, Macrocystis pyrifera, Laminaria digitata, Ascophyllum nodosum, Laminaria japonica, Ecklonia maxima, Lessonia nigrescens, Durvillea antarctica e Lessonia trabeculata para os produzir[21].
Para o processamento de alginatos de elevada qualidade são necessárias mais de 20 etapas, onde a colheita da alga corresponde à etapa inicial. O processo inicia-se com a extração alcalina (Figura 1) e após uma série de etapas de processamento é produzido ácido alginico puro, fonte de matéria-prima para os diversos sais de alginato e ésteres[20]. O pH é reduzido abaixo do pKa dos resíduos ácidos, por forma a extrair o alginato da restante biomassa e permitir, assim, a remoção de Ca2+ do polímero. Segue-se um aumento para pH alcalino, onde o ácido alginico é redissolvido para formar o alginato de sódio. Posteriormente, ocorre uma filtração e o alginato de sódio é precipitado a alginato de cálcio. Efetua-se uma lavagem ácida para converter o alginato de cálcio (insolúvel em água) em ácido alginico que é usado como material de partida para a preparação dos diferentes sais de alginato, assim como, para a preparação do éster propileno glicol covalentemente modificado. Depois de neutralizado o ácido alginico, o sal de alginato é finalmente seco e moído para o tamanho desejado[20].
15
Figura 1. Esquema ilustrativo do processo de extração e purificação do alginato[20].
A FMC Biopolymer fabrica mais de 200 tipos de alginato e oferece diferentes graus de alginato esterificado na forma de alginato de propilenoglicol (PGA).
2.1.2.2.
Propriedades estruturais
Co-polímeros binários de elevado peso molecular, os alginatos são constituídos por sais de ácido alginico com um grau de polimerização na gama de 50-3000, correspondendo a pesos moleculares entre os 10 e os 600 kDa[21]. Estes polissacáridos
16
são compostos por unidades de ácidos α-L-gulurónico (G) e β-D-manurónico (M) ligados entre si por ligações glicosídicas do tipo 1→4[22].
Draget et al. (2006) referem que a primeira informação sobre a estrutura sequencial dos alginatos surgiu através da obra de Haug. Recorrendo a hidrólise ácida parcial e fracionamento, conseguiram separar o alginato em três frações com composições muito diferentes. Em duas das frações existiam moléculas praticamente homopoliméricas de ácido gulurónico e manurónico, respetivamente, contudo a terceira fração apresentava proporções quase iguais de ambos os monómeros (M e G), e mostrava conter uma grande quantidade de resíduos de dímeros MG. Concluiu-se, então, que o alginato era formado por regiões homopoliméricas de M e G, denominadas por bloco M e bloco G (Figura 2), intercaladas com regiões de estrutura alternada (bloco MG). Este último tipo de blocos intitula-se por regiões heteropoliméricas.
Foi, ainda, demonstrado através de enzimas degradantes e por espetroscopia RMN que sequências alternadas com blocos GGM e MMG, também, estavam presentes[5].
Figura 2. Estruturas dos constituintes do alginato[23].
(a) Monómeros; (b) Cadeia; (c) Conformações e sequência esquemática da cadeia de alginato β-D-manurónico (M) α-L-gulurónico (G)
17
Na cadeia polimérica do alginato, os monómeros têm tendência a encontrar a sua estrutura energeticamente mais favorável. O ácido β-D-manurónico (M) tende a apresentar uma configuração 4C1 e liga-se com as suas unidades vizinhas através das
posições 1 e 4. No que respeita ao ácido α-L- gulurónico (G), este apresenta uma configuração 1C4 com ligações glicosídicas 1→4[21].
A configuração epimérica dos grupos carboxilo define como as unidades de açúcar estão ligadas. Deste modo, existe uma ligação diequatorial em M-M, diaxial em G-G e uma equatorial-axial em M-G. A carga e a massa dos grupos carboxilos concedem as estas diferentes configurações, graus distintos de extensão e flexibilidade. Verificou-se que a configuração M-G é a mais flexível (MG>MM>GG) e a G-G a que confere maior rigidez ao alginato[21].
O comportamento do alginato está dependente do seu peso molecular e da proporção e distribuição dos ácidos manurónicos e gulurónicos presentes. Estes parâmetros dependem da variedade de alga marinha utilizada para produzir o alginato, ou seja, diferentes algas, com condições sazonais e de crescimento desiguais, sintetizam alginatos com composições e estruturas diferentes[24]. Geralmente os alginatos produzidos a partir de estirpes antigas L. hyperborea apresentam maiores teores de ácido gulurónico (G) comparativamente aos alginatos conseguidos através da A.
nodosum e L. japónica que são caracterizados pelo baixo teor em blocos G e por
originarem géis de baixa resistência. O alginato com maior empregabilidade comercial obtido a partir da M. pyrifera (único tipo de alginato presente no catálogo da Sigma Chemicals) produz géis com menor resistência relativamente aos obtidos a partir da L.
hyperborea, mas maior comparativamente a alginatos com o mesmo teor de ácido
gulurónico[5].
Como o alginato apresenta polidispersividade relativamente ao peso molecular, a média da distribuição dos pesos moleculares será o valor a considerar. Esta distribuição pode ter implicações na aplicação deste hidrocolóide, pois fragmentos de baixo peso molecular possuindo, apenas, blocos G curtos podem não fazer parte na formação da rede do gel e, por conseguinte, não contribuir para a resistência do mesmo[5].
18
2.1.2.3. Propriedades Físicas
2.1.2.3.1. Ligações iónicas
A característica mais importante do alginato, tanto no setor industrial como do ponto de vista tecnológico, está relacionada com a sua capacidade de ligação a catiões divalentes, como Ca2+ e Ba2+, conduzindo eventualmente à formação de um hidrogel[25].
Este polissacárido apresenta propriedades de ligação características, onde a afinidade para com os catiões dependem da sua composição[5]. No alginato, as afinidades características são uma propriedade exclusiva dos poliguluronatos, enquanto os polimanuratos não possuem, praticamente, seletividade[5].
Segundo Draget et al. (2009), a afinidade do alginato para com os metais alcalino-terrosos aumenta na ordem de Mg << Ca < Sr < Ba, característica única do alginato relativamente a outros polianiões (ácido péctico, p.e.). Através de experiências que envolveram a diálise de equilíbrio do alginato, constatou-se que a seletividade para metais alcalino-terrosos e elementos de transição aumentou consideravelmente com o acréscimo do teor de resíduos de α-L-guluronato nas cadeias. Os blocos de polimanuratos (-MM-, p.e.) e os blocos alternados demonstraram a quase ausência de seletividade[5].
A elevada seletividade entre iões análogos como os metais alcalino-terrosos demonstrou que a forma de ligação não pode ser só realizada por ligação eletrostática não-especifica, mas também por alguma quelação provocada por características estruturais dos blocos G[5]. O modelo proposto por Morris, Rees e Smidsrød, denominado de “egg box” explica esse efeito (Figura 3).
19
Figura 3. Ligação de catiões divalentes com o alginato – modelo “egg box”[25]. (a) Quelação de catiões divalentes; (b) Formação de junções intercadeias
Um conhecimento aprofundado da composição e das propriedades de ligação iónicas é uma mais valia para a selecção de um alginato, que garanta ter as propriedades do material desejado[25].
2.1.2.3.2. Solubilidade
Existem três parâmetros que determinam e limitam a solubilidade do alginato na água. Eles são o pH, a força iónica do meio e o teor de iões gelificantes, sendo neste último que reside o problema da dureza da água (teor de iões Ca2+)[6].
Por titulação potenciométrica, Haug (1964) verificou que a constante de dissociação (pKa) para os monómeros de ácido manurónico e gulurónico foi de 3,38 e 3,65, respetivamente. Quanto à constante de dissociação do polímero alginato, esta difere ligeiramente das constantes dos resíduos monoméricos. Os valores verificados dependem da força iónica do solvente e da concentração de alginato[5].
20
Quando o pH da solução sofre uma redução, as soluções de alginato podem comportar-se de duas formas distintas. Uma diminuição abrupta no pH conduz a uma precipitação das moléculas de ácido algínico enquanto que, uma libertação lenta e controlada de protões pode originar a formação de um gel de ácido algínico[5].
A adição de ácido a uma solução de alginato conduz à precipitação das moléculas de ácido algínico dentro de uma gama de pH reduzida. Esta gama de pH depende do peso molecular, da composição química e da sequência do alginato. Alginatos que possuam mais estruturas com blocos heteropoliméricos (blocos MG) precipitarão a valores de pH mais baixos relativamente a alginatos com mais blocos homopoliméricos (M e G)[6].
A alteração da força iónica afeta o comportamento do polímero, nomeadamente na extensão da cadeia e consequentemente na viscosidade da solução, interferindo, assim, na solubilidade do alginato. Caso se pretenda aplicar estes polissacáridos na presença de elevadas concentrações de sais, os alginatos devem ser, a priori, hidratados em água pura, seguindo-se a adição do sal em agitação mecânica.
2.1.2.3.3. Hidratação
Normalmente, os alginatos são comercializados na forma de pó e necessitam previamente de uma dissolução em água para serem utilizáveis. Este hidrocolóide possui uma grande afinidade com a água e facilmente produz grumos quando adicionado a esta. Por isso, é fundamental que exista um controle na molhagem e hidratação do alginato, de forma a garantir a sua funcionalidade[27].
Para dissolver completamente o alginato, recorre-se muitas vezes a misturas com alguns ingredientes, como açúcares, antes de ser colocado em água e utiliza-se, também, misturadores com elevada tensão de corte para quebrar os grumos formados. Além disso, o alginato pode ainda ser disperso depois de misturado com óleo vegetal ou glicerol[28].
Após ficar totalmente molhado, o alginato deve ser completamente hidratado. Para isso, a solução de alginato sofre um aquecimento a pelo menos 70 °C antes de ser
21
utilizada. Este aquecimento em água permite que a estrutura de alginato se abra e possibilite a entrada das moléculas de água na estrutura de alginato para hidratar todos os sítios ativos da molécula. Na hidratação do alginato é necessário que exista um excesso suficiente de água, pois soluções com mais de 25 % de solutos de baixo peso molecular (açúcar, p.e.) irão competir, com sucesso, pela molécula de água, fazendo com que o alginato não se hidrate adequadamente. A hidratação adequada do alginato requer dissolução em água a baixas concentrações de soluto (menos de 10 %-15 %) e aquecimento a cerca de 80 ºC antes de ser utilizado como agente gelificante[28][29].
2.1.2.3.4. Estabilidade
O alginato possui a capacidade de formar géis a frio na presença de iões cálcio. Além disso, estes géis de alginato podem sofrer tratamento térmico sem se derreterem[30].
Os alginatos com elevados ácidos gulurónicos conseguem produzir géis com boa estabilidade ao calor (à exceção de moléculas com baixo peso molecular), contudo a infiltração de água (sinerese) ocorre no congelamento e descongelamento. Quanto aos alginatos com elevados ácidos manurónicos estes produzem géis mais fracos mas mais elásticos e com boa estabilidade no congelamento e descongelamento[30].
O alginato de sódio em pó deve ser armazenado num local seco e fresco sem exposição solar, assim este conseguirá ter uma durabilidade de vários meses. No congelador, este pode ser conservado durante vários anos, sem alterações significativas do peso molecular. Contudo, o mesmo não se verifica com o ácido algínico seco, que tem uma estabilidade bastante limitada, a temperaturas normais, resultante de uma degradação catalisada por ácido intramolecular[6].
É importante ter conhecimento dos fatores que determinam e limitam a estabilidade das soluções aquosas de alginato e das reações químicas responsáveis pela degradação[6].
Para Draget et al. (2009), a viscosidade relativa de uma solução de alginato pode diminuir drasticamente ao longo de um curto período de tempo, em condições
22
favoráveis à sua degradação. Quanto às ligações glicosídicas, estas estão sujeitas à degradação ácida e alcalina, e à oxidação por radicais livres.
Os alginatos são, também propícios ao crescimento microbiano, uma vez que correspondem a derivados de fontes naturais[6].
2.1.2.3.5. Viscosidade
A viscosidade intrínseca de uma solução de alginato está diretamente relacionada com o comprimento das moléculas de alginato envolvidas. A adição de outros sais também influencia a viscosidade final do meio e tal acontece com a adição de iões cálcio a uma solução de alginato, onde se verifica um aumento da viscosidade da solução devido à parcial e não-permanente ligação cruzada[21].
Uma solução viscosa de alginato apresenta propriedades de pseudoplasticidade (a viscosidade diminui com o aumento da tensão de corte), resultantes do comprimento de cadeia polimérica e da rigidez das moléculas hidratadas[21].
A viscosidade indicada para uma determinada aplicação pode ser conseguida através da escolha de uma vasta gama de tipos de alginato comercialmente disponíveis. Alginatos de baixo e elevado peso molecular oferecem texturas ligeiramente distintas e a sua concentração pode ser ajustada de forma a satisfazer os requisitos texturais e reológicos pretendidos (Figura 4)[21].
23
Figura 4. Variação da viscosidade de alginato em função da sua concentração e peso molecular. [21].
2.2. Gelificação do alginato
Os géis são classicamente definidos como uma série de substâncias com propriedades características de sólidos, que apresentam um excesso de solvente presente. A gelificação de polissacáridos resulta da reticulação física através de interações polímero-polímero e, normalmente, apresentam mais de 90 %(m/m) de água ou de solução eletrolítica aquosa[31].
A característica mais importante resultante da estrutura em bloco do alginato é a sua capacidade de formar géis[21], através de interações do tipo ligações iónicas que envolve a presença de catiões divalentes específicos, como Ca2+[31]. Comparado com a maioria dos polissacáridos gelificantes, o alginato apresenta a capacidade de se dissolver a frio (em um meio livre de cálcio)[32] e formar géis estáveis ao calor[21]. Apesar dos géis de alginato não serem dependentes da temperatura, a cinética do seu processo de gelificação pode ser alterada por mudanças de temperatura, assim como, as propriedades finais dos géis de alginato[6].
V is c o si d a de ( m P a .s ) Concentração (%) Alto Médio Baixo Graus típicos de peso molecular
24
A formação de géis com iões cálcio é o tipo de gelificação que tem suscitado maior interesse na indústria alimentar[21].
2.2.1. Géis alginato-cálcio
Para que o alginato possa reagir com o cálcio e formar um gel, tem de possuir uma determinada proporção de ácido gulurónico (G) e estes devem estar em bloco (-GGG-, p.e.)[21]. As regiões de ácido gulurónico de uma molécula de alginato ligam-se fisicamente a outra região semelhante, através de interações cadeia-Ca2+-cadeia[21]. Os restantes blocos (bloco M e bloco MG) não participam nestas interações, estando apenas associados à elasticidade do gel[21].
A interação entre as moléculas de alginato e os iões cálcio pode ser explicada pelo modelo “egg-box”, em que os iões cálcio encaixam-se entre as cadeias de ácido gulurónico do alginato de forma análoga a um ovo dentro de uma caixa de ovos (Figura 5).
Figura 5. Gelificação do alginato com iões cálcio no modelo “egg-box”[21].
Blocos-G
Ca2+
25
O mecanismo de formação do gel baseia-se nas reações intra e intermoleculares do ião cálcio com as moléculas de alginato, em que se formam ligações cruzadas entre os grupos carboxilo e os iões cálcio, e interações com os átomos de oxigénio eletronegativos dos grupos hidroxilos[24].
Este mecanismo inicia-se com a associação entre cadeias que possuem sequências de guluronatos formadoras de dímeros, onde estas cadeias se assemelham a uma fita que incorporam catiões divalentes de determinado tamanho (Figura 5). O processo fica concluído quando a quantidade de ião Ca2+ representa, aproximadamente, 50 % da concentração estequiométrica. Depois ocorre a conexão dos dímeros, no qual a quantidade de Ca2+ necessária é aproximadamente 100 %, com o aumento do tamanho do agregado. Quando os valores de concentração de Ca2+ correspondem a quantidades superiores a 100 %, poderá existir associação do Ca2+ com as sequências alternadas de ácido manurónico (M) e gulurónico (G). A presença de elevadas quantidades de Ca2+ promove a formação de agregados de grandes dimensões, que podem levar à precipitação do polímero[24][33].
A formação de um gel de alginato de cálcio deve ser considerada como um processo de permuta iónica, onde o contra-ião de um alginato solúvel em água permuta com o ião cálcio obtendo-se o fenómeno denominado de transição sol-gel1. O contra-ião, como o sódio p. e., apresenta uma menor afinidade para com a cadeia de alginato comparativamente ao cálcio, mas quando comparado com o ião potássio, este apresenta maior afinidade[21].
A capacidade de formação do gel assim como a resistência resultante estão diretamente relacionadas com o número e o comprimento das zonas de junção, quantidade de blocos G e seu comprimento médio, respetivamente. Elevadas quantidades de blocos G e longas cadeias desses mesmos blocos originam alginatos com elevada reatividade ao cálcio e potenciais formadores de géis resistentes[21].
O tratamento de uma solução de alginato semi-diluída (1-2 %) com um catião divalente (Ca2+, p.e.) resulta na formação de géis ionotrópicos. A capacidade de ligação iónica do alginato representa a característica básica no controle da formação do
1 Transição sol-gel é um fenómeno onde uma suspensão coloidal (sol) ou uma solução transforma-se em gel através do
estabelecimento de ligações entre as partículas ou entre as espécies moleculares, levando à formação de uma rede sólida tridimensional[21].
26
hidrogel. Assim, um gel de alginato pode ser descrito como uma rede contínua dilatada com água onde as ligações físicas cruzadas unem distintas cadeias de polissacáridos [25].
2.2.2. Sinerese
Após a gelificação, as moléculas de água são aprisionadas na rede de gel de alginato por ligações de hidrogénio. Contudo, ainda apresentam liberdade de migração por difusão, pois se contrair a rede de gel, algumas moléculas de água irão ser expulsas para fora. Este efeito é denominado de sinerese e acontece com bastante frequência em vários sistemas de biopolímeros em gel[21].
Em géis de alginato, a sinerese depende de parâmetros como a proporção M:G, a concentração de cálcio, o mecanismo de configuração e o peso molecular[21]. Géis preparados a partir de alginatos com baixo peso molecular apresentam menos sinerese relativamente a géis com elevado peso molecular e, alginatos que apresentem níveis elevados de sequências alternadas MG e segmentos elásticos flexíveis na rede do gel exibem níveis mais elevados de sinerese[21]. A presença de cálcio em excesso promove, também, a formação de géis com sinerese e a gelificação interna tende a formar géis com menos sinerese em comparação com os géis de alginato definidos externamente, porque a proporção entre o cálcio e o alginato é fácil de controlar[21].
2.2.3. Técnicas de formação de gel
Os alginatos possuem a capacidade de formar géis com ácidos e com todos os catiões multivalentes, à exceção do magnésio[21]. A sua cinética de gelificação deve ser considerada e otimizada contra o processo de fabrico. Como o processo de gelificação do alginato não pode ser controlado pela temperatura, outros parâmetros deverão ser considerados tais como, a concentração de alginato, a composição química e sequência, a proporção entre os iões gelificantes e não-gelificantes e a presença de agentes complexantes (fosfatos ou citratos, p.e.)[6].
27
Como referido anteriormente, o cálcio constitui o catião de gelificação com maior aplicação nos processos de gelificação empregados na indústria alimentar. A formação de gel pode ser controlada através do controlo da libertação de cálcio ou ácidos na solução de alginato. Tanto o ácido como os géis de alginato de cálcio não apresentam termorreversibilidade e são capazes de se formarem ao longo de um grande intervalo de temperaturas[21]. Segundo Helgerud et al.(2010), um gel termorreversível pode ser conseguido sob condições ácidas com pH abaixo dos 4,0, preferencialmente em torno do valor de pH 3,4, e usando uma combinação de alginato e pectina altamente metil-esterificada.
O alginato necessita de uma hidratação adequada antes do contacto com o cálcio por forma a conseguir utilizar-se completamente o seu potencial de gelificação. Os mecanismos de gelificação aplicados em sistemas de alginato podem ser por difusão e por gelificação interna, existindo também uma gelificação por arrefecimento[21]. A Tabela 2 apresenta uma lista dos sais de cálcio usados na formação de géis de alginato.
28
A escolha do tipo de sal de cálcio a aplicar na gelificação de alginatos dependerá do método escolhido para a preparação do gel e do pH do produto final.
2.2.3.1. Gelificação por difusão
A gelificação por difusão é caracterizada por permitir que um ião de reticulação (Ca2+, p.e.) se difunda de uma reserva externa para dentro de uma solução de alginato (Figura 6)[6].
Figura 6. Exemplo de produção de géis de alginato por difusão[6].
No método de gelificação por difusão, a solução de alginato ou uma mistura contendo alginato é colocada em contacto com o cálcio dissolvido, quer por imersão no banho de cálcio ou por pulverização com um sal de cálcio dissolvido em água (Figura 7)[21]. O cloreto de cálcio representa a fonte mais utilizada, porém qualquer sal de cálcio facilmente solúvel pode ser aplicado[21]. Os iões de cálcio difundem-se para a mistura contendo o alginato reagindo com este último, originando, um gel de alginato de cálcio.
29
Figura 7. Formação de géis de alginato através de um banho de cloreto de cálcio ou por spray de cloreto de cálcio[21].
A velocidade da difusão pode ser aumentada pelo acréscimo de temperatura, através do aumento da concentração de cálcio e pelo uso de um alginato altamente reativo ao cálcio (alginato com elevada proporção de blocos G)[21]. Convém referir que o aumento da concentração de cloreto de cálcio tem limites, pois este sal em excesso irá conferir um sabor desagradável e amargo aos produtos alimentares[34].
Quando uma solução de alginato ou uma mistura que contém alginato é difundida e gelificada num banho com sais de cálcio, a escolha do tipo de sal de cálcio não é alterada pelo pH do sistema de alginato. No entanto, para sistemas ácidos, a gelificação por difusão pode ocorrer pela deposição de um alginato (com sal de cálcio solúvel em condições ácidas) num banho ácido[34]. Quando o ácido entra em contacto com a superfície da mistura, o sal solubiliza e os iões cálcio libertam-se, reagindo com o alginato e formando o gel. Para este tipo de gelificação (em condições ácidas) são utilizados como sais de cálcio, o carbonato de cálcio e o fosfato bicálcico[21]. A figura seguinte apresenta os mecanismos de gelificação por difusão em condições neutras e ácidas.
30
Figura 8. Gelificação de alginato por difusão[21].
Uma propriedade importante da gelificação por difusão consiste na possibilidade de o gel final apresentar uma distribuição não homogénea de alginato, com maior concentração na superfície e diminuindo sucessivamente na direção do centro do gel, contudo esse grau de homogeneidade pode ser controlado[6].
A gelificação por difusão do alginato tem sido bastante aplicada na indústria alimentar (bagas artificiais e outros alimentos reestruturados) e na área biotecnológica devido ao mecanismo de gelificação apresentar uma cinética de gelificação rápida[6]. No processamento alimentar, a produção de esferas de alginato é, normalmente, realizada através da mistura do alginato de sódio aquoso com polpa de alimentos para posterior gotejamento da mistura numa solução aquosa com iões cálcio. Quanto à dimensão das esferas produzidas, esta pode ser controlada pela configuração do dispositivo de extrusão, pela viscosidade da mistura de alginato e pela aplicação de diferentes equipamentos para a produção de esferas[34].
2.2.3.2. Gelificação interna
No processo de gelificação interna, o cálcio é libertado sob condições controladas no interior da solução de alginato (Figura 9). Este mecanismo utiliza uma
31
combinação de alginato, um sal de cálcio, que dissolve-se lentamente, e um agente sequestrante de cálcio (EDTA, fosfato ou citrato, p.e.)[21]. Os sais de cálcio com maior aplicação neste método são o carbonato de cálcio e o sulfato de cálcio, sendo este último vulgarmente utilizado devido ao seu baixo custo e à sua solubilidade conveniente[21].
Figura 9. Exemplo de produção de géis de alginato por gelificação interna (Técnica CaCO3-GDL)[6].
Na maioria dos casos, é necessário a utilização de um sequestrante de cálcio para competir com o alginato pelos iões cálcio, uma vez que a libertação do cálcio é tão rápida durante a mistura dos ingredientes que pode provocar uma pré-gelificação do alginato[5][6]. A quantidade de sequestrante a ser utilizado está dependente do tempo necessário para a mistura dos ingredientes, pois um maior tempo de mistura requer concentrações mais elevadas de sequestrante[21].
A gelificação interna pode, também, ocorrer a pH neutro ou ácido (Figura 10) e essa acidez pode ser conseguida através da adição de um ácido, que irá acelerar a solubilidade dos sais de cálcio. Os ingredientes são misturados com o alginato e a fonte de cálcio a um pH neutro, e a libertação do cálcio é então conseguida por acidificação com ácido cítrico ou outro ácido apropriado[21].
32
Figura 10. Gelificação interna[21].
Os géis conseguidos por gelificação interna quase sempre são homogéneos, exceto quando uma solução de baixa viscosidade permite a sedimentação de partículas[6].
2.2.3.3. Gelificação por arrefecimento
Na gelificação por arrefecimento, o sal de cálcio e um sequestrante são dissolvidos em um líquido quente. As altas temperaturas evitam a gelificação, pois as cadeias de alginato encontram-se em movimento térmico, dificultando a associação das mesmas. A configuração inicia-se quando a solução é arrefecida, formando um gel de alginato de cálcio termicamente estável. Através de uma formulação cuidada, os géis podem ser feitos na gama entre 0-50 °C, contudo este processo é limitado a texturas relativamente moles[21].
2.3. Esferas de alginato na indústria alimentar
Os alginatos são aceites como aditivos alimentares e reconhecidos como seguros (GRAS) pelo FDA (Food and Drug Administration) e pela Comunidade Europeia. Além
33
disso, encontram-se listados no Codex Alimentarius das Nações Unidas (FAO/OMS). Estão inscritos no Anexo I da Diretiva 95/2 de 1995, podendo ser aplicados em todos os géneros alimentícios sob o princípio Quantum Satis na UE, com exceção dos citados no Anexo II e os descritos na Parte II da Diretiva[5].
O consumo mundial de alginato encontra-se em contínuo crescimento e a demanda futura para uma melhor utilização dos recursos alimentares mundiais contribuirá, certamente, para um aumento da quantidade de alginato aplicado em fins alimentares[21]. No mercado alimentar, a encapsulação tem sido um foco de relevante atuação na última década, com um nível crescente de publicações e de propriedade intelectual criados, assim como um crescimento significativo de oportunidades de negócio[35]. Casos como probióticos, aromas e óleos alimentares funcionais podem ser encapsulados sem sofrerem deterioração[21].
A encapsulação pode ser definida como um processo de retenção de uma substância dentro de outra substância, produzindo partículas com diâmetros que variam entre os nanómetros e os milímetros. A substância que é encapsulada pode ser denominada de material central, agente ativo, preenchimento ou fase interna, enquanto que a substância que está a encapsular pode ser chamada de membrana, revestimento, fase externa ou matriz [36].
Os materiais, com capacidade de encapsulação, aplicados em produtos e processos alimentares devem ser comestíveis e capazes de formar uma barreira entre o agente ativo e os seus arredores[36].
Existem diversas técnicas de encapsulamento por alginato que podem ser utilizadas na indústria alimentar [21]. Segundo Helgerud et al. (2010), a encapsulação de agentes aromatizantes, como óleos de aroma, pode ser realizada por extrusão ou gotejamento de uma mistura de alginato e óleo numa solução contendo sais de cálcio. Outra possível técnica consiste na utilização de um bucal de duplo tubo, onde o material a ser encapsulado é repelido pelo tubo interior, enquanto que a solução de alginato é repelida através do tubo exterior (Figura 11)[21].
34
Figura 11. Equipamento para encapsulação de um liquido ou suspensão com o alginato[21].
O tamanho das esferas pode ser controlado pela forma do dispositivo de extrusão, pela viscosidade da mistura de alginato e pela aplicação de diferentes equipamentos para a formação das esferas[5].
A utilização de alginato na gastronomia molecular constitui um mercado pequeno mas que se encontra em crescimento. Produtos naturais como caviar e ovos de peixe podem ser imitados por cápsulas de alginato. As esferas de alginato podem ser utilizadas como adorno nos pratos de restaurantes e na preparação de novos pratos[21].
Na cozinha molecular, a associação de alginato de sódio com sais de cálcio para produzir esferas de alginato denomina-se de esferificação. Esta técnica consiste na utilização de alginato misturado com um alimento que não possui cálcio livre no mesmo (obtido com um agente sequestrante). A mistura contendo alginato é submersa num banho de solução de cálcio (normalmente cloreto de cálcio ou lactato de cálcio), formando esferas com uma fina membrana. As esferas devem estar pouco tempo no banho de cálcio, pois a permanência destas na solução promove a continuação da gelificação para o interior da esfera. Um aquecimento das esferas a 85 °C durante 10 minutos ou mais, impede o processo de gelificação e mantém o centro da esfera líquido[37]. Um problema desta técnica reside no facto de a gelificação não ocorrer para
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líquidos com acidez elevada (pH <5), contudo isso pode ser corrigido pela adição de citrato de sódio ao liquido, por forma a reduzir o nível de acidez antes do processo de gelificação[38].
Para além do tipo de esferificação anteriormente descrita, as esferas de alginato podem ser conseguidas por esferificação inversa que consiste na submersão de um líquido com a mistura de gluconato de cálcio e lactato de cálcio 2 em um banho contendo alginato de sódio. Estas esferas apresentam uma membrana mais espessa, são de longa duração e o processo de gelificação é interrompido quando as esferas são removidas do banho e lavadas com água[39]. A esferificação inversa pode ainda ser realizada por congelamento do líquido com iões cálcio em moldes de silicone hemisféricos (Figura 12). Esta técnica permite um maior controlo no tamanho e na forma das esferas resultantes[40].
Figura 12. Produção de esferas utilizando moldes de silicone hemisféricos[37].
Estudos têm sido realizados sobre a produção de esferas para aplicação alimentar. As chamadas cápsulas sem costura ou cápsulas “seamless” (Figura 13) podem ser conseguidas pela utilização de alginato. Estas cápsulas são ideais para conter líquidos ou uma suspensão de sólidos num líquido. Diversas aplicações têm sido documentadas na literatura de patentes, como a inclusão de sabores, mentol e óleo de eucalipto, e de bebidas alcoólicas e não alcoólicas concentradas[41].
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A esferificação inversa não utiliza o cloreto de cálcio porque tem um sabor salgado, por isso utiliza-se gluconato de cálcio e lactato de cálcio. Estes não têm sabores percetíveis e dissolvem-se em líquidos[39].
