UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ANA LÚCIA FADINI
Innovative microencapsulation strategy for addition of functional
ingredients in processed foods
Estratégia inovadora em microencapsulação para inserção de
ingredientes funcionais em alimentos processados
CAMPINAS 2020
Innovative microencapsulation strategy for addition of functional
ingredients in processed foods
Estratégia inovadora em microencapsulação para inserção de
ingredientes funcionais em alimentos processados
Thesis presented to the Faculty of Food Engineering of the University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Food and Nutrition in the area of Experimental Nutrition and Applied to Food Technology
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Alimentos e Nutrição na área de Nutrição Experimental e Aplicada à Tecnologia de Alimentos
Orientador: Prof. Dr. Rodney Alexandre Ferreira Rodrigues
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA POR ANA LÚCIA FADINI, E ORIENTADA PELO PROF. DR. RODNEY ALEXANDRE FERREIRA RODRIGUES.
CAMPINAS 2020
_________________________________________ Prof. Dr. Rodney Alexandre Ferreira Rodrigues
(DQPN/CPQBA - DEPAN/ FEA/ UNICAMP) (Orientador)
_________________________________________ Profa. Dra. Ana Paula Badan Ribeiro Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
(Membro Titular)
_________________________________________
Prof. Dr. Carlos Raimundo Ferreira Grosso
Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
(Membro Titular)
_________________________________________ Profa. Dra. Lyssa Setsuko Sakanaka
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) (Membro Titular)
_____________________________________ Profa. Dra. Vânia Regina Nicoletti Telis
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP) Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas de São José do Rio Preto
(Membro Titular)
A Ata da Defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
Dedico este trabalho
à Aninha e ao Pedrão (in memoriam),
ao Alex, à Teodora e à Sofia,
ao Pedro e à Almerinda
Com muito amor!
Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades,
lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram
conquistadas do que parecia impossível.
Charles Chaplin
À Deus, por ter me dado esta oportunidade na vida.
Aos meus queridos pais, Ana Maria e Pedro (in memoriam), pessoas admiráveis e iluminadas que sempre deram suporte para que minha vida pessoal e profissional se fortalecesse.
Ao meu marido Alex, pela paciência, compreensão, companheirismo e apoio incondicional e às duas princesinhas da minha vida, minhas filhas, Teodora e Sofia.
Ao meu querido irmão Pedro e à minha querida cunhada Almerinda pelo incentivo, apoio e comemorações a cada conquista minha nesta jornada acadêmica.
Ao Prof. Dr. Rodney Alexandre Ferreira Rodrigues por todo o aprendizado que adquiri neste doutorado, por sua orientação, por sua disponibilidade e por viabilizar esta importante conquista em minha vida profissional. Muito obrigada!
À Dra. Izabela Dutra Alvim, praticamente uma irmã, companheira de todo dia, parceira incansável de laboratório, sempre disponível e fundamental para a conclusão deste processo. Iza, obrigada pela coorientação, pela amizade e dedicação e pelo empurrão inicial é claro!
À SAA/Apta/Ital/Cereal Chocotec por ter autorizado o meu curso de doutorado, em especial a minha Diretora Carla Léa de Camargo Vianna Cruz.
Ao Prof. Dr. Carlos Grosso, uma pessoa que é inspiração para quem atua na área de microencapsulação e que participou de meu exame de qualificação, ajudou com as correções desta tese e deu dicas e sugestões preciosas. Agradeço também à Profa. Dra. Ana Silvia Prata pela leveza de sua participação em meu exame de qualificação, dando apoio e sugestões ao meu trabalho.
À Profa. Dra. Ana Paula Badan Ribeiro, ao Dr. Renato Grimaldi e à Marcella Stahl do Laboratório de Óleos e Gorduras da Faculdade de Engenharia de Alimentos da UNICAMP, pelas discussões técnicas e ajuda com várias análises.
Às muitas pessoas que me ajudaram com a parte prática desta tese, colegas e alunos de iniciação científica: Ana Rauen, Ângela Granados, Camila Carazzato, Carol, Isabela Ribeiro, Lidiane Bataglia, Marise Queiroz, Nathalia, Katyri Paganotti e Lucas Ruzene.
Ocidental.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, pelos recursos concedidos aos alunos de iniciação científica que contribuíram para a realização deste trabalho.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP, pelo auxílio financeiro concedido (Processo 2015/12398-4).
À Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, à Faculdade de Engenharia de Alimentos – FEA e ao Departamento de Alimentos e Nutrição - DEPAN, pela contribuição na minha formação profissional.
Ao Centro Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas – CPQBA da UNICAMP, por toda a parceria durante a execução desta tese de doutorado.
Às empresas que colaboraram com o fornecimento das matérias-primas utilizadas neste estudo.
Aos professores da banca examinadora que contribuíram com sugestões e melhorias.
Aos colegas da Unicamp e do Ital que participaram junto comigo deste processo, tanto me ajudando quanto me incentivando e torcendo pelo meu sucesso.
Às minhas primas e primos que sempre torceram pelas minhas conquistas e às amigas das quais me distanciei neste período, mas que ainda assim torcem por mim! Gratidão!
E a todos que de alguma forma me ajudaram a concluir esta empreitada! Muito obrigada!
Os ácidos graxos poli-insaturados eicosapentaenoico (EPA) e docosaexaenoico (DHA) da família ômega-3 e o ácido araquidônico (AA) da família ômega-6 são de grande importância para a saúde humana. O EPA e o DHA são sintetizados a partir do ácido essencial alfa-linolênico mas podem ser supridos pela dieta ou suplementos, sendo sua principal fonte o óleo de peixe. O AA é sintetizado a partir do ácido essencial linoleico, presente em fontes vegetais como o óleo de sacha inchi. Na dieta ocidental os ácidos ômega-6 e ômega-3 são consumidos em proporções entre 15:1 a 40:1, quando esta razão deveria ser de aproximadamente 4:1. O objetivo deste estudo foi utilizar a microencapsulação para proteger e veicular óleos ricos em ômega-3 em produtos alimentícios. Foram avaliadas as técnicas de spray drying, spray chilling e o uso de métodos combinados. Os materiais de parede utilizados na microencapsulação por spray drying foram goma acácia, leite em pó desnatado e suco de uva, por serem encontrados na composição de diversos confeitos de chocolate e snacks. As micropartículas obtidas apresentaram características adequadas para aplicação em alimentos, no entanto, a rápida liberação do recheio implicou na imediata percepção do sabor característico do óleo de peixe. O uso da goma do cajueiro em substituição a goma acácia resultou em micropartículas com características típicas do processo utilizado, mas com menor eficiência de encapsulação. A microencapsulação dos óleos de peixe e de sacha inchi por spray chilling resultou em micropartículas que apresentaram odor e sabor característicos dos óleos encapsulados. A alternativa proposta para evitar os problemas citados para o encapsulamento simples (um método) foi encapsular inicialmente esses óleos por spray drying, dispersar o pó obtido em um material de parede lipídico fundido e produzir micropartículas lipídicas sólidas por spray chilling, sendo as micropartículas obtidas chamadas de micropartículas de dupla cobertura. O uso de 26% de recheio (micropartículas obtidas por spray drying) e material de parede composto por óleo de palma 100% hidrogenado e gordura vegetal na proporção de 1:1 resultou em micropartículas que se destacaram durante o estudo de estabilidade e que apresentaram ponto de amolecimento de aproximadamente 54 °C e cristais tipo β’, apropriados para uma melhor acomodação do recheio. O uso destas partículas na produção de drageados de chocolate e barras de cereais fontes de ômega-3 resultou em produtos com boa aceitação sensorial e a estratégia de se utilizar métodos combinados para a microencapsulação de óleo ricos em ômega-3 foi considerada uma alternativa acessível e promissora para melhorar o perfil nutricional de produtos alimentícios.
Palavras-chave: óleo de peixe, óleo sacha inchi, microencapsulação, spray drying, spray chilling, métodos combinados, dupla cobertura.
The polyunsaturated fatty acids eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) of the omega-3 series and arachidonic acid (AA) of the omega-6 series are of great importance to human health. EPA and DHA are synthesized from alpha-linolenic essential fatty acid and can be obtained through diet or supplements, being their main source the fish oil. AA is synthesized from linoleic essential fatty acid, present in plant sources such as sacha inchi oil. In the western diet, the omega-6 and omega-3 fatty acids are consumed in ratios between 15:1 and 40:1, when it should be approximately 4:1. The aim of this study was to use the microencapsulation to protect and delivery omega-3 rich oils into food products. Spray drying, spray chilling and combined methods of microencapsulation were evaluated. The wall materials used in the spray drying microencapsulation were acacia gum, skimmed milk powder and grape juice, which were selected because they are found in the composition of many chocolate confectionery and snacks. The obtained microparticles showed suitable characteristics for food application, however, the fast release of the active compound made the use of these microparticles unfeasible due to the perception of the characteristic fish oil flavour. The use of cashew tree gum instead of acacia gum resulted in microparticles with typical characteristics of the process used but with lower encapsulation efficiency. The microencapsulation of fish and sacha inchi oils by spray chilling resulted in microparticles with characteristic odour and taste of the encapsulated oils. The proposed alternative to avoid the problems reported for the simple encapsulation (one method) was first encapsulate the omega-3 rich oils by spray drying, to disperse the obtained powder in a molten lipid wall material and to produce solid lipid microparticles by the spray chilling technique, being the obtained microparticles named double-shell microparticles. A core material at a concentration of 26% (spray-dired microparticles) and a wall material composed by 100% hydrogenated palm oil and vegetable fat in a 1:1 ratio ensured the production of microparticles that presented better characteristics during the storage stability study. The microparticles had a softening point of approximately 54 °C and β' type crystals, suitable for a better accommodation of the core material. The use of these particles in the production of chocolate dragees and cereal bars source of omega-3 resulted in products with good sensory acceptance, and the use of combined microencapsulation methods was considered an affordable and promising alternative to improve the nutritional profile of food products.
Keywords: fish oil, sacha inchi oil, microencapsulation, spray drying, spray chilling, combined methods, double-shell microparticles
- CAPÍTULO I -... 21
Figura 1.1. Esquema da estruturação da tese de doutorado em capítulos... 28
- CAPÍTULO II -... 35
Figura 2.1. Vias de biossíntese dos ácidos linoleico e alfa-linolênico... 36
Figura 2.2. Vias para a biossíntese dos eicosanoides... 38
Figura 2.3. Previsão de demanda por ômega-3 para os próximos anos... 42
Figura 2.4. Morfologias internas das micropartículas... 43
Figura 2.5. Esquema de microencapsulação por spray drying e morfologia interna típica das micropartículas obtidas... 45
Figura 2.6. Esquema para microencapsulação por spray chilling e morfologia interna maciça, típica das micropartículas obtidas... 48
Figura 2.7. Acomodação do recheio dentro de uma partícula lipídica sólida... 50
Figura 2.8. Exemplos de mecanismos de liberação do recheio de uma partícula... 53
- CAPÍTULO III -... 68
Fig. 3.1. Contour plot of experimental values obtained for Surface Oil (a), Total Oil (b) and Encapsulation Efficiency (c) of SDM as a function of SM, AG and AGG………... 80
Fig. 3.2. Surface morphology of SDM with wall material containing SM.AG.AGG, loaded with FIO (a) and SIO (b) (SEM / Magnification: ×1000 / Bar = 20 µm)………... 82
Fig. 3.3. EPA and DHA (a) and ALA and LA (b) contents before and after the use of combined technologies for FIO and SIO microencapsulation……….. 83
Fig. 3.4. Surface morphology of SCM containing FIO (a) and SIO (b) produced by combined microencapsulation technologies (SEM / Magnification: ×500/Bar = 50 µm)……….. 84
- CAPÍTULO IV -... 90
Figure 4.1. The slip melting point profile of the lipid blends according to different concentrations of palm fat in the wall material……… 101
Figure 4.2. Contour curves for the apparent viscosity of the spray-chilling feeding material at 100 rpm (mPa.s) (a), microparticle median diameter (D50) (b), moisture content (g/100 g) (c), and EPA and DHA losses (%) (d) as a function of SD-M (CORE) (microparticles obtained by spray drying) concentration and lipid wall material composition (palm fat (PF) and vegetable fat (VF) at different ratios)……….……… 103
magnification and bars of 100 µm, except SD-M (core) with 500× magnification
and bar of 50 µm)………...……… 104
Figure 4.4. Images of the microparticles by optical microscopy (1000×
magnification and bars of 50 µm)………... 105 - CAPÍTULO V -... 112 Figure 5.1. Moisture content and water activity at zero, 90 and 180 storage days at 6 ± 2 °C and 24 ± 1 °C………... 123 Figure 5.2. Microparticle samples at 30 days of storage at (a) 6 ± 2 and (b)
24 ± 1 °C………. 123
Figure 5.3. Images of the solid lipid microparticles by optical microscopy (1000× magnification; scale bars indicate 20 μm)……….. 128 Figure 5.4. SEM micrographs of the solid lipid microparticles at 180 days of storage (200× magnification; the scale bars indicate 100 µm)……… 129 Figure 5.5. EPA and DHA losses for SD-M, SCFO, DS26, DS40 and DS50 samples stored at (a) 6 ± 2 °C and (b) 24 ± 1 °C during 180 days. ……….. 130 Figure 5.6. DSC thermograms of (a) fish oil, (b) vegetable fat (VF), (c) 100% hydrogenated palm oil (PF), (d) a mixture of PF and VF (1:1), (e) SCFO and (f) DS26 during 120 storage days at 25 ± 1 °C……… 134 Figure 5.7. X-ray diffractograms of (a) vegetable fat-VF, (b) fully hydrogenated palm oil-PF, (c) PF:VF-1:1, (d) SCFO, and (e) DS26, during 120 storage days at 25 ± 1 °C………... 136 - CAPÍTULO VI -... 146 Figure 6.1. Moisture content and water activity at 0, 90 and 180 storage days at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C……….. 157 Figure 6.2. Microparticle samples at 30 days of storage at (a) 6 ± 2 °C and (b)
25 ± 1 °C………. 158
Figure 6.3. Images of the freshly produced SD-SIO by scanning electron microscopy (500× magnification and bars of 50 μm) and optical microscopy (1000× magnification and bars of 20 μm)………... 162 Figure 6.4. Images of SC-SIO and DS-SIO samples by optical microscopy (1000× magnification and bars of 20 μm)………... 162 Figure 6.5. SEM micrographs of SC-SIO and DS-SIO samples (500× magnification and bars of 50 µm)………. 163 Figure 6.6. ALA and LA losses during 180 days of storage for sacha inchi oil, SD-SIO, SC-SIO and DS-SIO at (a) 6 ± 2 °C and (b) 25 ± 1 °C……… 164 Figure 6.7. DSC thermograms of (a) sacha inchi oil, (b) SC-SIO and (c)
DS-SIO………... 167
Figure 6.8. X-ray diffraction patterns: (a) SC-SIO and (b) DS-SIO……… 169 - CAPÍTULO VII -... 176
oil (S-FO) and with sacha inchi oil (S-SIO) and double-shell microparticles
(D-FO and D-SIO)……….. 185
Figure 7.2. Moisture content and water activity at zero, 90 and 180 storage days at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C………... 188 Figure 7.3. Spray-dried microparticle samples at 30, 60 and 90 days of storage at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C……….. 189 Figure 7.4. Sacha inchi oil (a) and fish oil (b) colour appearance after 180 days of storage………... 193 Figure 7.5. Images of the freshly produced S-FO and S-SIO samples by scanning electron microscopy (500× magnification and bars of 50 μm)………… 195 Figure 7.6. Images of double-encapsulated oils by optical microscopy (1000× magnification and bars of 20 μm)………. 196 Figure 7.7. SEM micrographs of double-shell microparticles (500× magnification and bars of 50 µm)………. 196 Figure 7.8. PUFAs losses occurred during 180 days of storage for FO,
- CAPÍTULO II -... 35 Tabela 2.1. Perfis de liberação do recheio de uma partícula...
53 Tabela 2.2. Exemplos das principais características avaliadas para as micropartículas produzidas por spray drying e por spray chilling... 55 - CAPÍTULO III -... 68 Table 3.1. Claims related to EPA, DHA and ALA………. 71 Table 3.2. Real levels of independent variables in mixture experimental
design………... 74
Table 3.3. Operating conditions for microencapsulation processes………. 74 Table 3.4. Responses of dependent variables according to composition of encapsulating material, moisture content, and aw………. 78
Table 3.5. Coded regression coefficients for SO, TO and EE………... 79 Table 3.6. Mean diameter D50, D4,3 and polydispersity index (Span) for
microparticles obtained with microencapsulation by SD………... 81 - CAPÍTULO IV -... 90 Table 4.1. Real levels of independent variables according to their values codified from a full factorial design (22)………... 96
Table 4.2. Matrix of experimental central composite rotatable design for the optimization of the production of double-shell microparticles containing fish
oil………... 102
Table 4.3. Analysis of variance (ANOVA) (percentage of explained variance (R2), Fcalculated value and Ftabulated) for the responses of apparent viscosity of the
spray-chilling feeding material at 100 rpm, microparticle median diameter (D50),
moisture contentand EPA and DHA losses………….……….. 102 - CAPÍTULO V -... 112 Table 5.1. Solid lipid microparticle compositions……….. 118 Table 5.2. Mean diameter (D4,3) and size distribution of microparticles at zero
and 180 storage days at 6 ± 2 °C and 24 ± 1 °C………. 125 Table 5.3. Colour parameters of spray-dried microparticles loaded with fish oil (SD-M), spray-chilled microparticles loaded with fish oil (SCFO), and double-shell microparticles with different core material concentrations (DS26, DS40 and DS50) at zero, 90 and 180 days of storage at 6 ± 2 °C and 24 ± 1 °C………... 127 Table 5.4. Thermal properties of the solid lipid microparticles during 120 storage days at 25 ± 1 °C………... 133 Table 5.5. Mean scores obtained by consumers (n = 120) in the acceptance test of chocolate dragees and cereal bars enriched with fish oil……….. 137
- CAPÍTULO VI -... 146 Table 6.1. Mean diameter (D4,3) and size distribution of SC-SIO and DS-SIO
samples at 0 and 180 storage days at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C……….. 159 Table 6.2. Colour parameters of SD-SIO, SC-SIO and DS-SIO at zero, 90 and 180 days of storage at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C……… 161 Table 6.3. Induction period of bulk and microencapsulated sacha inchi oil at 0
and 210 days……….. 165
Table 6.4. Thermal properties of solid lipid microparticles during storage at
25 ± 1 °C...………. 167
- CAPÍTULO VII -... 176 Table 7.1. Mean diameter (D4,3) and size distribution of the double-shell
microparticles at zero and 180 days of storage at 6 ± 2 °C and 25 ± 1 °C……….. 191 Table 7.2. Colour parameters of single and double-encapsulated oils at zero, 90 and 180 days of storage at 6 ± 2 ºC and 25 ± 1 ºC………... 194
RESUMO GERAL... 9 ABSTRACT... 10 LISTA DE FIGURAS... 11 LISTA DE TABELAS... 14 SUMÁRIO... 16 - CAPÍTULO I -... 21 1.1. INTRODUÇÃO GERAL... 22 1.2. OBJETIVOS... 25
1.2.1. OBJETIVO GERAL DA TESE... 25
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 25
1.3. ESTRUTURAÇÃO DA TESE EM CAPÍTULOS... 27
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 31
- CAPÍTULO II -... 35
2.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 36
2.1.1. Ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 e ômega-6... 36
2.1.2. Aplicação dos ácidos graxos poli-insaturados em produtos alimentícios... 41
2.1.3. Microencapsulação de óleos ricos em ácidos graxos poli-insaturados... 42
2.1.3.1. Microencapsulação por spray drying... 44
2.1.3.2. Microencapsulação por spray chilling... 48
2.1.3.3. Mecanismos de liberação... 52
2.1.3.4. Métodos combinados para microencapsulação... 53
2.1.3.5. Principais avaliações que podem ser feitas nas micropartículas... 54
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 57
- CAPÍTULO III -... 68
INNOVATIVE STRATEGY BASED ON COMBINED MICROENCAPSULATION TECHNOLOGIES FOR FOOD APPLICATION AND THE INFLUENCE OF WALL MATERIAL COMPOSITION………. 68
ABSTRACT………. 70
3.1. INTRODUCTION……… 71
3.2. MATERIALS AND METHODS………. 73
3.2.1. Materials…...……….………... 73
3.2.2. Statistical design and data analyses………...……… 73
3.2.3. First shell formed by spray drying……… 74
3.2.4. Second shell formed by spray chilling...………... 74
3.2.5. Characterization of microparticles……….. 75
3.2.5.1. Moisture content and water activity (aw)……….. 75
3.2.5.2. Surface oil (SO), total oil (TO), and encapsulation efficiency (EE)………... 75
3.2.5.3. Mean diameter and size distribution………. 75
3.2.5.4. Fatty acid composition……… 75
3.2.5.5. Morphology……….. 76
3.3.1. First encapsulant, spray drying coating……….. 77
3.3.1.1. Surface oil (SO), total oil (TO) and encapsulation efficiency (EE)……… 77
3.3.1.2. Mean diameter and size distribution………. 81
3.3.1.3. Particle morphology……… 82
3.3.2. Second encapsulant, spray chilling coating………... 82
3.3.2.1. Moisture content and water activity (aw)………. 82
3.3.2.2. Mean diameter and size distribution………. 83
3.3.2.3. Fatty acid composition……… 83
3.3.2.4. Morphology……….. 84
3.3.3. Incorporation of SDM and SCM loaded with FIO into a food matrix and sensory analysis…….………. 84
3.3.4. Process yield….……….. 85
3.4. CONCLUSIONS………...……… 85
REFERENCES………... 86
- CAPÍTULO IV -... 90
OPTIMIZATION OF THE PRODUCTION OF DOUBLE-SHELL MICROPARTICLES CONTAINING FISH OIL…...………. 90
ABSTRACT………. 92
4.1. INTRODUCTION……… 93
4.2. MATERIALS AND METHODS………. 94
4.2.1. Materials…..………..….………... 94
4.2.2. Statistical design and data analysis…….……….………... 95
4.2.3. Microencapsulation procedure.………. 95
4.2.4. Slip melting point……….………... 96
4.2.5. Apparent viscosity of the spray-chilling feeding material…..……….………….. 97
4.2.6. Moisture content and water activity (aw)……….………. 97
4.2.7. Encapsulation efficiency (EE)……….…………..……… 97
4.2.8. EPA and DHA analysis.………...……….. 98
4.2.9. Microparticle morphology……….………...……….. 98
4.2.10. Mean diameter and size distribution….………..………. 99
4.2.11. Oxidative stability under accelerated conditions……….………..…………. 99
4.3. RESULTS AND DISCUSSION………...……… 100 4.3.1. Spray-dried microparticle characterization………..………... 100
4.3.2. Slip melting point of the lipids applied as wall materials in the production of spray-chilled microparticles………... 100
4.3.3. Apparent viscosity of spray-chilling feeding material, microparticle properties and EPA and DHA losses……….. 101
4.3.4. Oxidative stability……… 106
4.4. CONCLUSIONS………...……… 107
MICROPARTICLES LOADED WITH FISH OIL: STABILITY STUDIES, FOOD
APPLICATION AND SENSORY EVALUATION……….. 112
ABSTRACT………. 114
5.1. INTRODUCTION……… 115
5.2. MATERIALS AND METHODS………. 116
5.2.1. Materials…..……….………... 116
5.2.2. Methods…..….……….………... 117
5.2.2.1. Microparticle production………... 117
5.2.2.2. Encapsulation efficiency (EE) of spray-dried microparticle (SD-M)...……….. 118
5.2.2.3. Characterization of microencapsulated powder during storage………... 118
5.2.2.3.1. Moisture content and water activity (aw)………. 118
5.2.2.3.2. Mean diameter and size distribution……….. 119
5.2.2.3.3. Colour………. 119
5.2.2.3.4. Morphology……… 119
5.2.2.3.5. EPA and DHA content……….. 120
5.2.2.3.6. Thermal behaviour by differential scanning calorimetry (DSC)………... 120
5.2.2.3.7. Crystalline structure………. 121
5.2.2.4. Food application and sensory acceptance test……….. 121
5.2.2.5. Statistical analysis……….. 121
5.3. RESULTS AND DISCUSSION………...……….. 122
5.3.1. Encapsulation efficiency (EE) of spray-dried microparticle (SD-M)….………... 122
5.3.2. Characterization of microencapsulated fish oil powder during storage……….. 122
5.3.2.1. Moisture content and water activity (aw)……… 122
5.3.2.2. Particle size and size distribution……… 124
5.3.2.3. Colour……….. 126
5.3.2.4. Morphology………. 128
5.3.2.5. EPA and DHA content……….. 129
5.3.2.6. Thermal behaviour by differential scanning calorimetry (DSC)………. 131
5.3.2.7. Crystalline structure……….. 135
5.3.3. Food application and sensory acceptance test……….….………... 137
5.4. CONCLUSIONS………...……….. 138
REFERENCES………... 139
- CAPÍTULO VI -... 146
INFLUENCE OF STORAGE IN THE STABILITY OF MICROPARTICLES LOADED WITH SACHA INCHI OIL……….. 146
ABSTRACT………. 148
6.1. INTRODUCTION……… 149
6.2. MATERIALS AND METHODS………... 150
6.2.1. Materials…..……….………... 150
6.2.2. Methods…..….……….………... 150
6.2.2.1. Microparticle production………... 150
6.2.2.2. Encapsulation efficiency (EE)……….………. 151
6.2.2.3.3. Colour………. 153
6.2.2.3.4. Morphological analysis….………... 153
6.2.2.3.5. ALA and LA content………. 153
6.2.2.4. Sacha inchi oil and microparticles stability under accelerated oxidative test….. 154
6.2.2.5. Thermal behaviour by differential scanning calorimetry (DSC)….……… 154
6.2.2.6. Crystalline structure……….. 155
6.2.2.7. Statistical analysis………. 155
6.3. RESULTS AND DISCUSSION………...……… 155
6.3.1. Encapsulation efficiency (EE) of spray-dried microparticle (SD-SIO)….…………... 155
6.3.2. Moisture content and water activity (aw)…..……… 156
6.3.3. Mean diameter and size distribution of microparticles……….. 157
6.3.4. Colour.……….. 160
6.3.5. Morphology……….. 162
6.3.6. ALA and LA content……… 163
6.3.7. Oxidative stability……… 164
6.3.8. Thermal behaviour by differential scanning calorimetry (DSC)………….………….. 165
6.3.9. Crystalline structure………... 168
6.4. CONCLUSIONS………...……… 169
REFERENCES………... 170
- CAPÍTULO VII -... 176
SINGLE AND DOUBLE ENCAPSULATION OF FISH OIL AND SACHA INCHI OIL USING CASHEW TREE GUM AS WALL MATERIAL……… 176
ABSTRACT………. 178
7.1. INTRODUCTION……….. 179
7.2. MATERIALS AND METHODS………... 181
7.2.1. Materials…..……….………... 181
7.2.2. Methods…..….……….………... 181
7.2.2.1. Emulsion preparation and spray-drying microencapsulation process………….. 181
7.2.2.2. Double encapsulation process……….………...……… 182
7.2.2.3. Encapsulation efficiency of spray-dried microparticles…………..………. 182
7.2.2.4. Storage and characterization of the single and double-shell microparticles….. 183
7.2.2.4.1. Moisture content and water activity (aw)………...……… 183
7.2.2.4.2. Particle size distribution……...……..………. 183
7.2.2.4.3. Colour………. 184
7.2.2.4.4. Morphological analysis….………... 184
7.2.2.4.5. Fatty acid analysis………...……… 184
7.3. RESULTS AND DISCUSSION………...……… 185
7.3.1. Encapsulation efficiency (EE) of spray-dried microparticles……….…………... 185
7.3.2. Moisture content and water activity (aw)…..……… 186
7.3.3. Particle size distribution………. 190
7.3.4. Colour………...……… 192
7.3.5. Morphology……….. 195
REFERENCES………... 200 - CAPÍTULO VIII -... 206 8.1. DISCUSSÃO GERAL... 207 - CAPÍTULO IX -... 213 9.1. CONCLUSÃO GERAL... 214 - CAPÍTULO X -... 215
10.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 216
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GERAIS... 218
- CAPÍTULO I -
Introdução Geral
Objetivos
1.1. INTRODUÇÃO GERAL
Os ácidos graxos podem ser classificados como saturados, quando não existe dupla ligação em sua cadeia carbônica, em monoinsaturados quando existe uma dupla ligação e em poli-insaturados quando há a presença de duas ou mais duplas ligações. Além disso, podem ser classificados de acordo com a posição da primeira dupla ligação enumerada a partir do grupo metil terminal, o que irá definir, por exemplo, se o ácido graxo poli-insaturado pertence a série ômega-3 (primeira dupla ligação no carbono 3 da cadeia do ácido graxo, a partir do grupo metil terminal) ou ômega-6 (primeira dupla ligação no carbono 6) (CARTWRIGHT, 1993; SAINI; KEUM, 2018).
Alguns ácidos graxos são considerados essenciais pois os mamíferos não possuem enzimas capazes de introduzir duplas ligações antes do nono átomo carbono da cadeia do ácido graxo, contado a partir do grupo metil terminal, sendo estes os ácidos graxos alfa-linolênico (ALA, 18:3n-3) e linoleico (AL, 18:2n-6), os quais são precursores dos ácidos graxos das famílias ômega-3 e ômega-6, respectivamente, portanto, devem ser supridos através da dieta (HALL; VAN SAUN; WANDER, 2004; HOPPENBROUWERS et al., 2019).
Ao ser consumido o ácido graxo ALA será convertido no ácido graxo eicosapentaenoico (EPA, 20:5n-3), a partir do qual se obtém o ácido graxo docosaexaenoico (DHA, 22:6n-3), ambos da família ômega-3. O ácido graxo AL será convertido no ácido graxo araquidônico (AA, 20:4n-6), da família ômega-6 (HOPPENBROUWERS et al., 2019).
Considerando que os ácidos graxos AL e ALA são substratos das mesmas enzimas, os níveis de AL na dieta irão influenciar a conversão de ALA em EPA e DHA (MARTINS et al., 2008). EMKEN; ADLOF; GULLEY (1994) destacam que embora as enzimas tenham maior afinidade pelos ácidos da família ômega-3, a conversão do ALA em ácidos graxos poli-insaturados de cadeia longa é fortemente influenciada pelos níveis de AL na dieta.
Os ácidos graxos poli-insaturados possuem uma série de efeitos positivos para a saúde humana. Os ácidos ômega-3 são importantes desde o desenvolvimento neonatal da retina e cérebro, até na saúde cardiovascular e prevenção de doenças (QI et al., 2004; UDAYAN; ARUMUGAM; PANDEY, 2017; BUSH; STEVENSON;
LANE, 2019). Os ácidos ômega-6 ajudam na manutenção da saúde dos ossos e do sistema reprodutivo, saúde da pele e cabelo, reduzem a ocorrência de doenças como diabetes tipo 2, alergias e artrite reumatoide, entre outras (KUMAWAT et al., 2017; UDAYAN; ARUMUGAM; PANDEY, 2017; WU et al., 2017).
Nas últimas décadas a dieta ocidental tem apresentado maior consumo de ácidos graxos ômega-6 e o balanço entre a ingestão de ômega-6 e ômega-3, que não deveria ser maior que 4:1, tem chegado a razão de 15:1 a 40:1. Essa mudança de hábitos alimentares pode levar a doenças neurológicas, psiquiátricas, doenças inflamatórias e cardiovasculares entre outras (SANTOS et al., 2013; TIMILSENA et al., 2017; THESING et al., 2018; BAHGAT et al., 2019; BORK et al., 2019).
Os ácidos graxos ômega-6 são encontrados em alimentos como cereais, ovos, gordura animal, pães com cereais integrais, óleos de canola, de soja, de milho e de girassol. Os ácidos graxos ômega-3 são encontrados em peixes de águas frias e profundas, vegetais com folhas verdes e em óleos vegetais de linhaça, de chia e da semente da sacha inchi (EL-BADRY; GRAF; CLAVIEN, 2007; SAINI; KEUM, 2018; MÉRIDA-ORTEGA et al., 2019). De acordo com SANCHEZ-REINOSO; GUTIÉRREZ, (2017), se comparado com outros óleos de fontes vegetais, o óleo da sacha inchi se destaca por possuir uma das maiores concentrações de ALA (50 %) e AL (35%).
O estudo de fontes vegetais de óleos ricos em ômega-3 assume grande importância frente a fatores como a sustentabilidade da fonte marinha dessas substâncias, potencial de contaminação de peixes com dioxina e metais pesados e ainda a necessidade de se ofertar opções para vegetarianos (MAURER et al., 2012; TIMILSENA et al., 2017; BUSH; STEVENSON; LANE, 2019; ZARE et al., 2019).
Os ácidos graxos poli-insaturados apresentam alta susceptibilidade à oxidação, fator que, além de implicar na perda dos efeitos desejados, pode gerar substâncias tóxicas; odor e sabor desagradáveis, características sensoriais que fazem diminuir a taxa de aceitação do produto pelo consumidor e baixa solubilidade (composto hidrofóbico), dificultando a obtenção de uma mistura homogênea em sua interação com a maioria dos alimentos (ENCINA et al., 2016).
Para lidar com tais problemáticas, a tecnologia de microencapsulação apresenta-se como uma boa alternativa para a proteção de óleos, com destaque para a técnica de microencapsulação por spray drying (BAKRY et al., 2016). Ela oferece vantagens como relativo baixo custo operacional, disponibilidade de maquinário para produção em diferentes escalas e capacidade de se trabalhar com materiais termo
sensíveis (KAUSHIK et al., 2015). Normalmente os materiais de parede utilizados na microencapsulação por spray drying são carboidratos e proteínas, portanto, as micropartículas obtidas são hidrossolúveis, o que, dependendo do caso, pode levar a uma rápida e indesejável percepção do sabor da substância encapsulada. Uma técnica que resulta em micropartículas hidrofóbicas é a microencapsulação por spray chilling. De acordo com ALVIM et al. (2016) esta técnica se baseia na atomização de uma mistura contendo a substância de interesse e o material de parede lipídico fundido em uma câmara com temperatura inferior ao ponto de fusão do material de parede, ocorrendo então a solidificação das gotas atomizadas e a formatação das micropartículas lipídicas sólidas.
A liberação do material encapsulado (recheio) por spray chilling pode ocorrer pela ação de enzimas digestivas, pela exposição das micropartículas a temperaturas superiores ao ponto de amolecimento da matriz lipídica ou por difusão. Uma possível desvantagem desta técnica é que a estrutura matricial pode resultar na presença do recheio na superfície das partículas, uma vez que neste tipo de estrutura o recheio fica distribuído por toda a massa da partícula e não apenas em seu centro, além do que existe a possibilidade da matriz lipídica expulsar o recheio durante a estocagem devido a modificação de seu arranjo cristalino (OKURO; MATOS-JÚNIOR; FAVARO-TRINDADE, 2013).
Estudos que visam o desenvolvimento de ingredientes inovadores são de fundamental importância para que a indústria de alimentos possa ofertar uma maior variedade de produtos contendo os ácidos graxos ômega-3 e a microencapsulação é uma importante ferramenta para atender a esta demanda. Existem inúmeras técnicas de microencapsulação, no entanto, o uso de técnicas economicamente viáveis e conhecidas pela indústria pode ser um facilitador para o sucesso do desenvolvimento de novos ingredientes. Esta tese de doutorado estudou a microencapsulação dos óleos de peixe e de sacha inchi através das técnicas de spray drying e spray chilling, além de ter feito o uso combinado dessas duas técnicas a fim de minimizar as desvantagens de cada uma delas e garantir a obtenção de micropartículas que pudessem ser aplicadas em alimentos e que resultassem em produtos com boa aceitação sensorial.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo Geral da Tese
Encapsular óleos ricos em ácidos graxos ômega-3 para aplicação em alimentos.
1.2.2. Objetivos Específicos
Utilizar métodos combinados para microencapsulação de óleo de peixe e óleo de sacha inchi.
Utilizar um planejamento experimental de mistura simplex-centroid com 3 fatores para a definição da composição do material de parede de micropartículas produzidas por spray drying, contendo óleo de peixe.
Caracterizar as micropartículas obtidas em relação ao óleo total, óleo superficial, eficiência de encapsulação, umidade, atividade de água, tamanho, morfologia e composição em ácidos graxos.
Iniciar os estudos sobre o uso de métodos combinados de microencapsulação (spray drying e spray chilling), utilizando-se os óleos de peixe e óleo de sacha inchi como recheios.
Aplicar as micropartículas contendo óleo de peixe em drageados de chocolate e realizar análise sensorial.
Otimizar a produção das micropartículas contendo o óleo de peixe encapsulado com dupla cobertura.
Utilizar a metodologia de superfície de resposta (planejamento fatorial completo 22) para avaliar os impactos da concentração do recheio e da composição
do material de parede lipídico nas características das micropartículas produzidas através do uso de métodos combinados.
Avaliar as micropartículas quanto ao teor de umidade, atividade de água, eficiência de encapsulação, perdas dos ácidos graxos poli-insaturados
eicosapentaenoico (EPA) e docosahexaenoico (DHA) durante o processo de microencapsulação, morfologia, tamanho e distribuição de partículas e estabilidade oxidativa através do teste acelerado de Rancimat.
Estudar a estabilidade de micropartículas contendo óleo de peixe produzidas por spray drying, spray chilling e através de métodos combinados de microencapsulação.
Acompanhar as alterações ocorridas nas micropartículas carregadas com óleo de peixe com relação ao teor de umidade, atividade de água, distribuição e tamanho de partículas, cor, morfologia e perdas dos ácidos graxos poli-insaturados
eicosapentaenoico (EPA) e docosahexaenoico (DHA), tanto do óleo de peixe livre quanto do óleo encapsulado, ocorridas durante a produção e estocagem das micropartículas condicionadas em potes abertos, mantidos dentro de dessecadores a 75% de UR. O estudo foi feito em duas temperaturas, ou seja, 6 ± 2 °C e 24 ± 1 °C, durante 180 dias de estocagem. A umidade relativa de 75% foi escolhida tanto para acelerar as reações de degradação das micropartículas e de seu recheio, como por simular as condições a que estas micropartículas seriam expostas quando aplicadas em produtos alimentícios com elevada atividade de água como, por exemplo, alguns tipos de confeitos açucarados, produtos cárneos industrializados e produtos lácteos entre outros.
Avaliar o comportamento térmico das micropartículas lipídicas sólidas e o polimorfismo dos cristais de sua matriz lipídica durante 120 dias de estocagem a temperatura de 25 °C.
Aplicar as micropartículas de dupla cobertura e carregadas com óleo de peixe em drageados de chocolate e barras de cerais e realizar teste de aceitação sensorial com 120 provadores.
Estudar a estabilidade de micropartículas contendo óleo de sacha inchi produzidas por spray drying, spray chilling e através de métodos combinados de microencapsulação.
Acompanhar as alterações ocorridas nas micropartículas carregadas com óleo de sacha inchi com relação ao teor de umidade, atividade de água, distribuição e tamanho de partículas, cor, morfologia e perdas dos ácidos graxos poli-insaturados
linolênico (AL) e alfa-linolênico (ALA) tanto do óleo de sacha inchi livre quanto do óleo encapsulado, ocorridas durante a produção e estocagem das micropartículas (180 dias de estocagem a 6 ± 2 °C e 25 ± 1 °C e 75% de UR).
Avaliar a estabilidade oxidativa pelo teste acelerado de Rancimat, do óleo de sacha livre e do óleo encapsulado por spray drying, spray chilling e com dupla cobertura, no tempo zero e após 7 meses de estocagem a 6 ± 2 °C.
Acompanhar possíveis alterações no comportamento térmico e no polimorfismo dos cristais da matriz lipídica das micropartículas lipídicas sólidas, durante 120 dias de estocagem a 25 ± 1 °C.
Avaliar o uso da goma do cajueiro para encapsular o óleo de peixe e o óleo de sacha inchi através do uso de métodos combinados de microencapsulação.
Utilizar a goma do cajueiro em substituição a goma acácia para a produção de micropartículas por spray drying e utilizá-las como recheio no segundo estágio de microencapsulação a ser realizado por spray chilling.
Acompanhar as alterações ocorridas nas micropartículas carregadas com o óleo de peixe e nas micropartículas carregadas com o óleo de sacha inchi com relação ao teor de umidade, atividade de água, distribuição e tamanho de partículas, cor, morfologia e perdas dos ácidos graxos poli-insaturados EPA e DHA (micropartículas carregadas com óleo de peixe) e AL e ALA (micropartículas carregadas com óleo de sacha inchi), tanto para os óleos na forma livre quanto encapsulados, ocorridas durante a produção e estocagem das micropartículas (180 dias de estocagem a 6 ± 2 °C e 25 ± 1 °C e 75% de UR).
1.3. ESTRUTURAÇÃO DA TESE EM CAPÍTULOS
A Figura 1.1 apresenta de forma esquemática a estruturação da tese na forma de capítulos. O Capítulo I apresenta uma introdução ao tema e reporta os objetivos do trabalho. O Capítulo II contempla uma revisão bibliográfica sobre os principais assuntos tratados nesta tese, como a importância dos ácidos graxos ômega-3 e ômega-6 para a saúde humana, com destaque para os óleos de peixe e de sacha inchi, ressalta a microencapsulação como alternativa tecnológica para proteger e veicular esses compostos em produtos alimentícios, abordando com mais detalhes as técnicas de microencapsulação por spray drying e por spray chilling e a combinação destas duas tecnologias a fim de melhorar a proteção ao recheio, apresenta os principais materiais de parede utilizados e apresenta as principais análises utilizadas para a caracterização das micropartículas. Na sequência, os Capítulos III, IV, V, VI e VII apresentam os resultados dos estudos práticos realizados nesta tese de doutorado.
Capítulo III: Innovative strategy based on combined microencapsulation technologies for food application and the influence of wall material composition O objetivo deste artigo foi introduzir o uso de métodos combinados para a microencapsulação do óleo de peixe e do óleo de sacha inchi.
Foi utilizado um planejamento experimental de mistura simplex-centroid com 3 fatores para a definição da composição do material de parede para microencapsular o óleo de peixe por spray drying e os materiais estudados foram selecionados por serem encontrados na composição de confeitos de chocolate. As partículas foram carregadas com 20% de recheio (b.s.) e caracterizadas quanto ao teor de óleo total, óleo superficial, eficiência de encapsulação, umidade, atividade de água, tamanho, morfologia e composição em ácidos graxos poli-insaturados (EPA e DHA). A adição destas micropartículas em drageados de chocolate mostrou uma rápida liberação do recheio com percepção imediata do sabor do óleo de peixe, portanto, iniciaram-se os primeiros testes utilizando-se métodos combinados de microencapsulação (spray drying e spray chilling) a fim de retardar a liberação do recheio. As micropartículas obtidas por spray drying foram dispersas em um material de parede composto por uma mistura de gordura vegetal hidrogenada e óleo de palma 100% hidrogenado na proporção de 3:2 e proporção de material de parede e recheio (micropartículas obtidas por spray drying) também de 3:2. As micropartículas lipídicas sólidas, chamadas de double-shell microparticles, foram incorporadas em drageados de chocolate e o sabor do óleo de peixe não foi identificado pelos provadores treinados.
Capítulo IV: Optimization of the production of double-shell microparticles containing fish oil
O objetivo deste artigo foi otimizar a produção das micropartículas através do uso de métodos combinados de microencapsulação, portanto, utilizou-se a metodologia de superfície de resposta (planejamento fatorial completo 22) para avaliar
a influência da concentração do recheio (micropartículas produzidas por spray drying) e da composição do material de parede lipídico, nas características tanto do material de alimentação quanto das micropartículas com dupla cobertura. As concentrações de recheio estudas foram 26, 30, 40, 50 e 54% e as concentrações de gordura vegetal na matriz lipídica foram 36, 40, 50, 60 e 64%, sendo que o óleo de palma 100% hidrogenado foi utilizado para completar os 100%. De acordo com os resultados
obtidos, três composições de micropartículas com dupla cobertura foram selecionadas para terem sua estabilidade estudada na próxima etapa do trabalho, conforme apresentado no Capítulo V.
Capítulo V: Microparticles loaded with fish oil: stability studies, food application and sensory evaluation
O objetivo deste estudo foi encapsular o óleo de peixe por spray drying, spray chilling e através do uso de métodos combinados de microencapsulação. Três diferentes concentrações de recheio (micropartículas obtidas por spray drying) foram utilizadas para a produção das micropartículas de dupla cobertura. As amostras de micropartículas, juntamente com uma amostra de óleo de peixe livre, foram estocadas durante 180 dias a 6 ± 2 °C e 24 ± 1 °C e 75% UR e tiveram suas características físico-químicas avaliadas. Uma amostra de micropartícula com dupla cobertura foi selecionada para ser estudada durante 120 dias quanto ao comportamento térmico e polimorfismo dos cristais de sua matriz lipídica e para ser adicionada em drageados de chocolate e barras de cereais para teste de aceitação sensorial. A composição desta amostra de micropartícula com dupla cobertura foi então utilizada para dar continuidade ao estudo, a fim de encapsular o óleo de sacha inchi, conforme apresentado no Capítulo VI.
Capítulo VI: Influence of storage in the stability of microparticles loaded with sacha inchi oil
O objetivo deste estudo foi encapsular o óleo de sacha inchi por spray drying, spray chilling e através do uso de métodos combinados de microencapsulação. As micropartículas com dupla cobertura foram produzidas com 26% de recheio (micropartículas obtidas por spray drying) e material de parede lipídico composto por óleo de palma 100% hidrogenado e gordura vegetal na proporção de 50:50. As amostras foram estocadas durante 180 dias a 6 ± 2 °C e 25 ± 1 °C e 75% UR e tiveram suas características físico-químicas e sua estabilidade oxidativa avaliadas.
Capítulo VII: Single and double encapsulation of fish oil and sacha inchi oil using cashew gum as wall material
O objetivo deste estudo foi utilizar a goma do cajueiro na composição do material de parede empregado para a produção de micropartículas por spray drying,
carreadas tanto com óleo de peixe como com o óleo da sacha inchi. Estas micropartículas foram então utilizadas como recheio para a produção das micropartículas com dupla cobertura. As micropartículas produzidas por spray drying, assim como aquelas obtidas através de métodos combinados de microencapsulação foram estocados durante 180 dias a 6 ± 2 °C e 25 ± 1 °C e 75% UR e tiveram suas características físico-químicas avaliadas.
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- CAPÍTULO II -
2.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1.1. Ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 e ômega-6
Os ácidos graxos ômega-3 alfa-linolênico (18:3n-3, ALA) e ômega-6 linoleico (18:2n-6, AL) são considerados essenciais pois não podem ser produzidos pelo corpo humano. Após sua ingestão o ALA é enzimaticamente convertido ao ácido estearidônico (18:4n-3), o qual é enlongado até a obtenção do ácido graxo de cadeia longa eicosapentaenoico (EPA, 20:5n-3), que por sua vez é convertido no ácido graxo docosapentaenoico (DPA, 22:5n-3), que passará por processos de enlongação, dessaturação e β oxidação até a obtenção do ácido graxo docosaexaenoico (DHA, 22:6n-3). O AL é convertido ao ácido graxo de cadeia longa araquidônico (AA, 20:4n-6) (HOPPENBROUWERS et al., 2019). O metabolismo destes ácidos graxos ocorre principalmente no fígado. Os ácidos graxos EPA, DHA e AA são então incorporados aos fosfolipídios da membrana celular, influenciando sua viscosidade e função, portanto, a composição desta membrana é afetada tanto pelo tipo quanto pela quantidade dos ácidos graxos ingeridos na dieta (HALL; VAN SAUN; WANDER, 2004; SAINI; KEUM, 2018; HOPPENBROUWERS et al., 2019). A Figura 2.1 apresenta as vias de biossínteses dos ácidos linoleico e alfa-linolênico.
Figura 2.1. Vias de biossíntese dos ácidos linoleico e alfa-linolênico.
Os ácidos graxos AL e ALA são substratos das mesmas enzimas desaturases e enlongases, havendo uma preferência destas pelos ácidos graxos ALA (MARTINS et al., 2008; KANG; LIU, 2013; SAINI; KEUM, 2018). No entanto, EMKEN;
ADLOF; GULLEY (1994) destacam que apesar desta preferência, a conversão do ALA em ácidos graxos poli-insaturados de cadeia longa é fortemente influenciada pelos níveis de AL na dieta. Portanto, novamente fica reforçado o papel fundamental da dieta para que haja um equilíbrio na biossíntese destes ácidos graxos.
Estudos relatam diferentes porcentagens de conversão de ALA para EPA e DHA. Dados reportados por BURDGE; CALDER (2005) mostram que as porcentagens de conversão do ácido graxo ALA em EPA são bem baixas, ou seja, aproximadamente 8%. Já a conversão para DHA seria de aproximadamente 4%. (KRALOVEC et al. (2012) apontam valores de conversão de ALA para EPA entre 5 a 10% e entre 1 a 5% para DHA. WANG et al. (2006) relatam que 5% do ácido alfa-linolênico consumido é convertido em DHA e EPA. Estas porcentagens são afetadas pela idade e diferem entre homens e mulheres. Portanto, fica evidente a necessidade de ingestão de ácidos graxos ômega-3 através da dieta e a razão entre a ingestão diária de alimentos fontes de ácidos graxos ômega-6 e ômega-3 assume grande importância na nutrição humana, resultando em várias recomendações que têm sido estabelecidas por órgãos de saúde de diferentes países.
Os ácidos graxos ômega-3 e ômega-6 são capazes de alterar as propriedades das membranas celulares, fornecer substratos para a produção de mediadores lipídicos inflamatórios (eicosanoides) e modular a expressão gênica, possuindo efeitos metabólicos opostos. Esses efeitos opostos dos ácidos graxos LA e ALA e de seus eicosanoides que são derivados dos ácidos AA, EPA e DHA ajudam a regular os processos fisiológicos de inflamação e anti-inflamação, vasodilatação e vasoconstrição, broncodilatação e broncoconstrição e de agregação plaquetária e anticoagulação. Uma inflamação aguda, associada a uma pronta resposta para sua solução é considerado um processo que irá proteger o hospedeiro contra infecções, no entanto, um excesso de estímulos inflamatórios irá resultar em um microambiente tumoral ideal (SAINI; KEUM, 2018; KANG; LIU, 2013).
Quando as células sofrem uma injúria física ou química, os ácidos graxos AA, EPA e DHA presentes nos fosfolipídios da membrana celular são mobilizados pela ação da fosfolipase A2 e metabolizados a mediadores lipídicos inflamatórios, os
eicosanoides (HALL; VAN SAUN; WANDER, 2004) (Figura 2.2). Os eicosanoides são formados a partir de ácidos de graxos com 20 carbonos e, dependendo do substrato (ALA ou AL), diferentes classes de mediadores lipídicos pró-inflamatórios e anti-inflamatórios serão formadas pela ação das enzimas cicloxigenases (1 e COX-2), lipoxigenases (5-LOX e 15-LOX) e epoxigenases (citrocromo P450 ou CYP). De
forma geral o AA resulta em mediadores com ação pró-inflamatória e os ácidos graxos EPA e DHA em mediadores com ação anti-inflamatória (BARBALHO et al., 2011; EL-BADRY; GRAF; CLAVIEN, 2007; SAINI; KEUM, 2018).
Figura 2.2. Vias para a biossíntese dos eicosanoides.
Fonte: SAINI; KEUM (2018).
O ácido araquidônico (AA) pode ser convertido à prostaglandinas da série 2 (A2, E2, I2 e tromboxanos A2) pela ação da COX-2, a leucotrienos da série 4 (B4, C4
e E4) pela ação da lipoxigenase (5-LOX) e a epoxieicosatrienoicos e
dihidroxieicosatrienoicos e dihidroxieicosatrienoicos pela ação de epoxigenases e epoxihidrolases. Já o ácido eicosapentaenoico (EPA) é convertido às prostaglandinas da série 3 (B3, D3, E3, I3 e tromboxanos A3), pela ação da COX-2 e a leucotrienos da
série 5 (B5, C5, e D6), pela ação da 5-LOX e o ácido graxo docosahexaenóico (DHA) é metabolizado a protetinas, resolvinas da série-D e maresinas que possuem atividade
contra lesões, isquemia e inflamação (SAINI; KEUM, 2018). Em resumo, os metabólitos originados do AA pela ação da cicloxigenases pertencem a série 2 e aqueles originados do EPA pertencem a série 3 e os leucotrienos derivados do AA pertencem a série 4 os derivados do EPA a série 5. As prostaglandinas da série 2 e os leucotrienos da série 4 são potentes icosanóides pró-inflamatórios (ANDRADE; CARMO, 2006). Portanto, dietas ricas em ômega-6 têm sido associadas a inflamação, constrição dos vasos sanguíneos e agregação plaquetária.
Os ácidos ômega-3 atuam por todo o ciclo da vida humana, ou seja, são importantes desde o desenvolvimento neonatal da retina e cérebro, melhora da resposta imunológica de recém-nascidos, saúde cardiovascular, prevenção de doenças crônicas e inflamatórias, saúde mental e melhora da função cognitiva. Estudos ainda associam o consumo adequado do ácidos graxos ômega-3 EPA e DHA com a menor incidência de asma, diabetes tipo 1, esclerose múltipla, câncer, artrite reumatoide, psoríase e a benefícios à saúde mental, entre outros (QI et al., 2004; UDAYAN; ARUMUGAM; PANDEY, 2017; BUSH; STEVENSON; LANE, 2019; SIMOPOULOS, 2011).
Os ácidos ômega-6 ajudam na manutenção da saúde dos ossos e do sistema reprodutivo, saúde da pele e cabelo, podem reduzir a ocorrência de doenças como alergias, artrite reumatoide e diabetes tipo 2 devido a sua ação positiva no metabolismo da glicose, entre outras. O aumento da ingestão dos ácidos graxos ômega-6 também tem sido associado a redução de incidência de doenças cardiovasculares, mas cabe ressaltar que muitas vezes a literatura reporta os efeitos positivos atribuídos a ácido linoleico associados a uma redução na ingestão de ácidos graxos saturados (KUMAWAT et al., 2017; UDAYAN; ARUMUGAM; PANDEY, 2017; WU et al., 2017; MARANGONI et al., 2020).
Considerando as ações específicas dos ácidos graxos 3 e ômega-6 sobre a saúde, o balanço entre a ingestão de cada um deles assume um importante papel para prevenção de doença psíquicas e neurológicas, redução de inflamação crônica e de doenças cardiovasculares, entre outras. No entanto, nas últimas décadas a dieta ocidental tem apresentado maior consumo de ácidos graxos ômega-6 e o balanço entre a ingestão de ômega-6 e ômega-3, que não deveria ser maior que 4:1, tem chegado a razão de 15:1 a 40:1 (SANTOS et al., 2013; TIMILSENA et al., 2017;
De acordo com as Diretrizes da Sociedade Brasileira de Cardiologia, de 5-10% da energia da dieta deveria ser proveniente do ácido linoleico, sendo que alguns países recomendam que esse percentual não seja superior a 4% (SANTOS et al., 2013; WU et al., 2017). Para a prevenção primária de doenças cardiovasculares e como parte de uma dieta saudável, a “American Heart Association” e a Sociedade Brasileira de Cardiologia recomendam a ingestão de duas porções de peixe por semana e, para a prevenção secundária, a fim de diminuir o risco cardiovascular em indivíduos com risco considerado baixo a moderado e que não consomem duas porções semanais de peixe, é recomendado a suplementação de 1 g de EPA e DHA por dia (SANTOS et al., 2013; MATSUMOTO et al., 2019).
Os ácidos graxos ômega-6 são encontrados em abundância na natureza, e estão presentes nas sementes da maioria das plantas, com destaque para os óleos vegetais de canola, soja, milho, cártamo e girassol. São ainda encontrados em cereais, ovos e gordura animal. As principais fontes diretas dos ácidos graxos ômega-3 EPA e DHA são os peixes, frutos do mar e microalgas, com destaque para peixes gordurosos de água fria como salmão, atum, cavala, arenque e sardinha. As quantidades de EPA e DHA encontradas em diferentes espécies de microalgas são variáveis, sendo que algumas espécies possuem elevado teor de DHA. Os ácidos graxos ômega-3 ALA são encontrados em vegetais com folhas verdes e em óleos como de colza, linhaça, chia e sacha inchi (EL-BADRY; GRAF; CLAVIEN, 2007; ASTIASARÁN & ANSORENA, 2009; SANTOS et al., 2013; SIMOPOULOS, 2016; SAINI; KEUM, 2018; MATSUMOTO et al., 2019; MÉRIDA-ORTEGA et al., 2019; VERMA et al., 2020).
Apesar do óleo de peixe ser considerado a principal fonte dos ácidos graxos ômega-3 EPA e DHA, o estudo de fontes vegetais de óleos ricos em ômega-3 ALA assume grande importância frente a fatores como a sustentabilidade de sua fonte marinha, potencial de contaminação de peixes com dioxina e metais pesados e ainda a necessidade de se ofertar opções para vegetarianos (MAURER et al., 2012; TIMILSENA et al., 2017; BUSH; STEVENSON; LANE, 2019; ZARE et al., 2019).
A Plukenetia volubilis L., conhecida como sacha inchi, é uma oleaginosa considerada uma das fontes vegetais de maior concentração de ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 e ômega-6 (em torno de 93% da composição do óleo), além de vitamina E. Se comparado com outros óleos de fontes vegetais, o óleo da sacha inchi se destaca por possuir uma das maiores concentrações de ALA (50 %) e AL (35%)
