JULICE DUTRA LOPES
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MICROPARTÍCULAS LIPÍDICAS,
OBTIDAS POR SPRAY COOLING, PARA UTILIZAÇÃO COMO
AGENTES DE NUCLEAÇÃO NA PRODUÇÃO DE CHOCOLATES
CAMPINAS
2015
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
JULICE DUTRA LOPES
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MICROPARTÍCULAS LIPÍDICAS,
OBTIDAS POR SPRAY COOLING, PARA UTILIZAÇÃO COMO
AGENTES DE NUCLEAÇÃO NA PRODUÇÃO DE CHOCOLATES
Tese
apresentada
à
Faculdade
de
Engenharia de Alimentos da Universidade
Estadual de Campinas como parte dos
requisitos exigidos para obtenção do título
de Doutora em Tecnologia de Alimentos.
Orientadora: Profª Drª Priscilla Efraim
Co-orientadora: Profª Drª Ana Paula Badan Ribeiro
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA JULICE DUTRA LOPES E ORIENTADA PELA PROFESSORA DRA. PRISCILLA EFRAIM.
ASSINATURA DA ORIENTADORA
_________________________________________
CAMPINAS
2015
Márcia Regina Garbelini Sevillano - CRB 8/3647
Lopes, Julice Dutra,
L881p LopProdução e caracterização de micropartículas lipídicas, obtidas por spray
cooling, para utilização como agentes de nucleação na produção de chocolates /
Julice Dutra Lopes. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
LopOrientador: Priscilla Efraim.
LopCoorientador: Ana Paula Badan Ribeiro.
LopTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de
Engenharia de Alimentos.
Lop1. Spray cooling. 2. Micropartículas lipídicas. 3. Polimorfismo. 4. Chocolate. I.
Efraim, Priscilla. II. Ribeiro, Ana Paula Badan. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Production and characterization of lipid microparticles, obtained by
spray cooling, for use as nucleating agents in chocolate production
Palavras-chave em inglês:
Spray cooling Lipid microparticles Polymorphism Chocolate
Área de concentração: Tecnologia de Alimentos Titulação: Doutora em Tecnologia de Alimentos Banca examinadora:
Priscilla Efraim [Orientador] Izabela Dutra Alvim
Kelly Moreira Bezerra Gandra Rodrigo Corrêa Basso
Valdecir Luccas
Data de defesa: 25-02-2015
Programa de Pós-Graduação: Tecnologia de Alimentos
______________________________________________________
Profa. Dra. Priscilla Efraim (Orientadora)
Faculdade de Engenharia de Alimentos - UNICAMP
______________________________________________________
Profa. Dra. Izabela Dutra Alvim (Titular)
Instituto de Tecnologia de Alimentos
______________________________________________________
Profa. Dra. Kelly Moreira Bezerra Gandra (Titular)
Escola de Nutrição - UFOP
______________________________________________________
Prof. Dr. Rodrigo Corrêa Basso (Titular)
Instituto de Química - UNIFAL
______________________________________________________
Dr. Valdecir Luccas (Titular)
Instituto de Tecnologia de Alimentos
______________________________________________________
Prof. Dr. Adenilson Oliveira dos Santos (Suplente)
Centro de Ciências Sociais, Saúde e Tecnologia – UFMA
______________________________________________________
Prof. Dr. Daniel Barrera-Arellano (Suplente)
Faculdade de Engenharia de Alimentos - UNICAMP
______________________________________________________
Profa. Dra. Lireny Aparecida Guaraldo Gonçalves (Suplente)
aplicada em diversos setores das indústrias químicas e de alimentos. Na produção de chocolates, o uso de agentes ativos de nucleação pode se dar pela incorporação de triacilgliceróis de alto ponto de fusão, fundidos ou na forma sólida, à massa de chocolate ou à manteiga de cacau, resultando em um grande número de núcleos de cristalização bem definidos, que consistem na base para a ordenação estrutural do sistema, podendo melhorar e/ou acelerar a etapa de temperagem de chocolates. Baseando-se nestes fatos, o objetivo deste trabalho foi produzir e caracterizar micropartículas lipídicas sólidas (SLM) de óleos totalmente hidrogenados (hardfats) de palma (FHPO), algodão (FHCO), soja (FHSO) e crambe (FHCrO) utilizando a técnica de spray cooling (SC), a fim de se estudar a influência da adição dessas SLM como agentes de nucleação no processo de temperagem de chocolate amargo. As SLM foram produzidas variando-se os parâmetros de processo: temperatura de manutenção dos hardfats (70 a 85 °C), temperatura de solidificação das SLM (0 a 24 °C), diâmetro do atomizador (0,7 e 1 mm) e pressão do ar comprimido de atomização (1,25 a 1,75 kgf/cm2). As SLM produzidas apresentaram polimorfismo , formato esférico e diâmetros médios entre 56,12 e 2514,32 μm, dependendo dos hardfats e das condições de processo utilizadas. A cinética de transição polimórfica das SLM acondicionadas a 25, 35 e 45 °C foi investigada por 141 dias, avaliando-se a configuração visual, o comportamento térmico de fusão e o polimorfismo das SLM. A transição completa das SLM para o polimorfismo de seus respectivos hardfats ocorreu de forma mais rápida no acondicionamento a 45 °C, com transição completa observada nas SLM do FHSO, FHPO e FHCO após 24 h, sem alteração do aspecto visual. Em 35 °C, a transição das SLM do FHPO e FHCO ocorreu após 4 dias e em 25 °C observou-se transição completa apenas nas SLM do FHCO. Para as SLM do FHCrO o polimorfismo foi predominante nos tratamentos a 25 e 35 °C e só houve transição polimórfica no tratamento a 45°C após 15 dias. Observou-se redução do tempo da etapa de temperagem de chocolates adicionados de SLM do FHSO com polimorfismo , os quais apresentaram tensão de ruptura e cor similares às de chocolates submetidos à temperagem realizada da forma convencional. Os resultados indicam que a técnica de SC é adequada para produção de SLM dos hardfats estudados. Porém, para o uso destas SLM como agentes de cristalização é necessária a indução da transição polimórfica para o polimorfismo mais estável, preferencialmente de forma não estática, para evitar a formação de aglomerados.
several chemical and food industries sectors. In chocolate production, the use of nucleating agents can occur by the incorporation of high melting point triglycerides, melted or in solid form. The seeds can be added directly in the chocolate mass or in the cocoa butter, resulting in a large number of well-defined crystallization nuclei, which are the basis for the structural arrangement of the fat crystal network. In this way, the seeds can improve and/or accelerate the chocolate tempering step. Based on these facts, the objective of this research was to produce and to characterize solid lipid microparticles (SLM) from fully hydrogenated oils (hardfats) of palm (FHPO), cottonseed (FHCO), soybean (FHSO) and crambe (FHCrO), using the spray cooling (SC) technique in order to study the influence of the addition of these SLM as nucleating agents in dark chocolate tempering process. The SLM were produced by varying the process parameters: hardfats maintenance temperature (70 to 85 °C), SLM solidification temperature (0 to 24 °C), nozzle diameter (0.7 to 1 mm) and atomiser air pressure (1.25 to 1.75 kgf/cm2). The SLM produced presented polymorphism, spherical shape and mean diameter between 56.12 and 2514.32 µm, depending on the hardfats and process conditions used. The polymorphic transition kinetics of SLM stored at 25, 35 and 45 °C was investigated by 141 days evaluating the visual configuration, the thermal melting behavior and the SLM polymorphism. The full transition from SLM to polymorphism of their respective hardfats occurred more quickly at 45 °C, with full transition of SLM observed in the SLM of FHSO, FHPO and FHCO after 24 hours, without altering the visual aspect. At 35 °C, the SLM transition of FHPO and FHCO occurred after 4 days, and at 25 °C the complete transition was observed only in the SLM of FHCO. For SLM of FHCrO, polymorphism was predominant in the treatments at 25 and 35 °C and there was only polymorphic transition in the treatment at 45 °C after 15 days. It was observed time reduction on the tempering chocolates steps with the addition of SLM of FHSO with polymorphism, which showed similar rupture tension and color to the chocolate subjected to the conventional way of tempering. The results indicate that SC technique is suitable for the SLM production of the studied hardfats. However, for use of these SLM as crystallization agents is required to induce the polymorphic transition for the most stable polymorph, preferably non-static way in order to avoid the agglomerates formation.
LISTA DE FIGURAS... xxi
LISTA DE TABELAS ... xxv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... xxvii
INTRODUÇÃO GERAL ... 1
CAPÍTULO 1 - Revisão da Literatura ... 5
1.
Óleos e gorduras ... 7
1.1.
Óleos vegetais totalmente hidrogenados ... 8
2.
Cristalização de lipídios ... 10
2.1.
Mecanismos de cristalização dos lipídios ... 11
2.2.
Cinética de cristalização ... 12
2.3.
Polimorfismo de triacilgliceróis ... 13
2.4.
Controle da cristalização ... 16
3.
Chocolate ... 17
3.1.
Cristalização da manteiga de cacau ... 17
4.
Uso da técnica de seeding em sistemas lipídicos ... 20
5.
Microencapsulação ... 24
5.1.
Spray cooling ... 25
6.
Principais técnicas utilizadas para análise do comportamento térmico e
polimorfismo de materiais lipídicos. ... 27
6.1.
Difração de Raios-X ... 27
6.2.
Calorimetria Diferencial de Varredura ... 29
Resumo ... 41
1.
Introdução ... 43
2.
Material e Métodos ... 45
2.1.
Matérias-primas ... 45
2.2.
Métodos ... 45
2.2.1.
Caracterização das matérias-primas ... 45
2.2.1.1
Composição em ácidos graxos ... 45
2.2.1.2
Índice de Iodo e Índice de Saponificação ... 46
2.2.1.3
Composição em Triacilgliceróis (TAGs) ... 46
2.2.1.4
Determinação do Comportamento Térmico na Fusão ... 46
2.2.1.5
Predição da viscosidade dos hardfats ... 47
2.2.1.6
Hábito Polimórfico ... 47
2.2.2.
Procedimento Experimental ... 48
2.2.2.1
Obtenção das micropartículas lipídicas ... 48
2.2.3.
Caracterização das micropartículas lipídicas ... 49
2.2.3.1
Diâmetro máximo das partículas ... 49
2.2.3.2
Diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas ... 50
2.2.3.3
Microestrutura das micropartículas lipídicas ... 50
2.2.3.4
Hábito polimórfico das micropartículas lipídicas ... 50
2.3.
Avaliação estatística dos resultados ... 50
3.
Resultados e Discussão ... 51
3.1.
Composição em ácidos graxos ... 51
3.2.
Composição Triacilglicerólica ... 53
3.3.
Propriedades de fusão dos hardfats ... 54
3.4.
Predição da Viscosidade dos Hardfats ... 56
3.8.
Microestrutura das SLM ... 67
3.9.
Hábito polimórfico das micropartículas lipídicas sólidas ... 71
4.
Conclusões ... 74
5.
Agradecimentos ... 74
6.
Referências ... 75
CAPÍTULO 3 - Estudo da transição do hábito polimórfico de micropartículas
lipídicas sólidas produzidas por spray cooling ... 81
Resumo ... 83
1.
Introdução ... 85
2.
Material e Métodos ... 87
2.1.
Material ... 87
2.2.
Procedimento Experimental ... 88
2.2.1.
Produção das SLM de hardfats por spray cooling ... 88
2.2.2.
Caracterização das SLM... 88
2.2.2.1.
Análise granulométrica das SLM ... 88
2.2.2.2.
Diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas ... 88
2.2.3.
Determinação da cinética de transição polimórfica das SLM... 89
2.2.3.1.
Determinação das propriedades de fusão das SLM ... 89
2.2.3.2.
Hábito Polimórfico das SLM ... 89
2.2.3.3.
Morfologia de superfície das SLM ... 90
2.3.
Avaliação estatística dos resultados ... 90
3.
Resultados e Discussões ... 91
3.1.
Análise granulométrica das SLM ... 91
3.2.
Diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas... 91
5.
Agradecimentos ... 112
6.
Referências ... 113
CAPÍTULO 4 - Estudo da aplicação de micropartículas lipídicas sólidas, obtidas
por spray cooling em chocolate amargo ... 117
Resumo ... 119
1.
Introdução ... 121
2.
Material e Métodos ... 122
2.1.
Material ... 122
2.1.1.
Micropartículas lipídicas sólidas (SLM) ... 122
2.1.2.
Chocolates ... 123
2.2.
Metodologia analítica ... 123
2.2.1.
Caracterização físico-química ... 123
Composição em ácidos graxos da MC, MCL e SLM´s ... 123
Composição triacilglicerólica (TAGs) da MC e MCL ... 124
Conteúdo de gordura sólida (SFC) e Cristalização isotérmica da MC e MCL
... 124
2.2.2.
Caracterizações ... 125
2.2.2.1.
Chocolates ... 125
Índice de temperagem ... 125
Tensão de ruptura (Snap Test) ... 125
Cor ... 125
Análise visual dos chocolates ... 126
Análise da superfície dos chocolates ... 126
2.2.2.2.
SLM ... 126
2.3.2.
Testes experimentais ... 128
2.4.
Avaliação estatística dos resultados ... 130
3.
Resultados e Discussões ... 130
3.1.
Caracterização físico-química da MC e MCL ... 130
3.2.
Caracterização das SLM ... 133
3.3.
Caracterização dos chocolates ... 133
3.3.1.
Testes preliminares ... 133
3.3.2.
Testes experimentais ... 136
4.
Conclusões ... 140
5.
Agradecimentos ... 140
6.
Referências ... 141
CONCLUSÃO GERAL... 145
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 147
APÊNDICE ... 149
"Seja você quem for, seja qual for a posição
social que você tenha na vida, a mais alta
ou a mais baixa, tenha sempre como meta
muita força, muita determinação e sempre
faça tudo com muito amor e com muita fé
em Deus, que um dia você chega lá. De
alguma maneira você chega lá."
Ayrton Senna
A Deus, a quem dedico todas as minhas conquistas e alegrias. Pelo seu amor incondicional e por me dar forças para sempre recomeçar.
À minha querida mãe Lucinha, que esteve comigo em muitos momentos difíceis nesta caminhada e também a meu pai Pedro e meus irmãos Fabiana e Clauberto.
Ao Joel, por todo amor, carinho e incentivo para nunca desanimar.
Às minhas orientadoras, Priscilla Efraim e Ana Paula Badan Ribeiro, pela amizade, oportunidade e por acreditarem no meu trabalho. Sinto-me privilegiada por esta parceria. Vocês são exemplos de grandes profissionais e acima de tudo, grandes seres humanos.
Aos professores membros da banca examinadora, Profa. Drª Izabela Alvim, Profa. Drª Kelly Gandra, Prof. Dr. Rodrigo Basso, Dr. Valdecir Luccas, Prof. Dr. Daniel Barrera, Prof. Dr. Adenilson Oliveira e Profª Drª Lireny Gonçalves, pelas valiosas sugestões e correções apresentadas.
Ao Prof. Dr. Theo Guenter Kieckbusch pela oportunidade de fazer parte do Projeto Temático FAPESP.
À Profª Lireny Gonçalves pelo carinho, ensinamentos e ajuda em momentos difíceis.
Ao Prof. Daniel Barrera-Arellano, pela orientação durante os primeiros anos de doutorado.
À Drª Izabela Alvim por toda ajuda, paciência e disponibilidade para tirar minhas dúvidas sobre micropartículas.
Ao Prof. Dr. Carlos Grosso, pela oportunidade concedida para realização de parte dos experimentos desta pesquisa em seu Laboratório de Pesquisa.
Aos técnicos e amigos do Laboratório de Frutas e Hortaliças e Laboratório de Óleos e Gorduras, Ana Kon, Renato Grimaldi, Rosana, Alaíde, Marcella, Ingrid e Priscila, pela disponibilidade em ajudar.
Camilia, Willian e Marilene pela presença e companheirismo nos momentos bons e ruins desta caminhada.
Ao Guilherme Calligaris, Prof. Adenílson Oliveira e Prof. Lisandro Pavie, pela ajuda e orientações nas análises de Difração de Raios-X.
Aos meus amigos de “moras”, Isabela, Luciano, Leon, Jaqueline e Karen, por me hospedarem por várias vezes durante o período do doutorado e pelo carinho e amizade de sempre!
A todos que de forma direta ou indireta, contribuíram e incentivaram para a conclusão deste trabalho. Muito obrigada!
Capítulo 1
Figura 1: Estruturas polimórficas de três formas típicas de triacilgliceróis (TAGs).
(a) Estruturas de sub-células e (b) estruturas de comprimento de
cadeia. ... 14
Figura 2: Curvas de DSC de diferentes formas polimórficas presentes em
manteiga de cacau ... 30
Capítulo 2
Figura 1: Eventos de fusão dos óleos totalmente hidrogenados de soja (FHSO),
crambe (FHCrO), algodão (FHCO) e palma (FHPO) ... 55
Figura 2: Padrões de Difração de Raios-X dos óleos totalmente hidrogenados de
crambe (FHCrO), palma (FHPO), soja (FHSO) e algodão (FHCO) ... 57
Figura 3: Aspecto visual das micropartículas lipídicas após produção por spray
cooling ... 59
Figura 4: Distribuição do tamanho de partículas das SLM dos óleos totalmente
hidrogenados de soja (FHSO), algodão (FHCO), palma (FHPO) e
crambe (FHCrO), obtida pela técnica de difração a laser ... 63
Figura 5: Distribuição do tamanho de partículas das SLM dos óleos totalmente
hidrogenados de soja (FHSO), algodão (FHCO), palma (FHPO) e
crambe (FHCrO) nas condições do T1 e T9. ... 65
Figura 6: Micrografias das SLM do FHSO (1a e 1b), FHCrO (2a e 2b), FHCO
(3a e 3b) e FHPO (4a e 4b) obtidas nas condições do T1 (T = 80; P= 1,25; A = 1): a) microscopia ótica (1a e 2a - 125x, barra 100 µm; 3a e 4a – 100x, barra 200 µm); b) microscopia de varredura eletrônica (1b - 150x, barra 500 µm; 2b, 3b e 4b – 250x, barra 300 µm). T: temperatura de manutenção do hardfat (ºC); P: pressão do ar comprimido de
atomização (kgf/cm2); A: diâmetro do atomizador (mm) ... 69
Figura 7: Micrografias das SLM do FHSO (1a e 1b), FHCrO (2a e 2b), FHCO
(3a e 3b) e FHPO (4a e 4b) obtidas nas condições do T9 (T = 80; P= 1,50; A = 0,7): a) microscopia ótica (125x, barra 100 µm); b) microscopia de varredura eletrônica (250x, barra 300 µm). T: temperatura de manutenção do hardfat (ºC); P: pressão do ar
comprimido de atomização (kgf/cm2); A: diâmetro do atomizador (mm) ... 70
Figura 8:
Difratogramas das SLM dos óleos totalmente hidrogenados de crambe
(FHCrO), palma (FHPO), soja (FHSO) e algodão (FHCO), após 24h de produção por spray cooling, nas condições do T9 (T = 80 °C, P=FHCO (C) e FHCrO (D), armazenadas a 25 °C, em diferentes
períodos. ... 95
Figura 2: Difratogramas (short spacings) das SLM do FHPO (A), FHSO (B),
FHCO (C) e FHCrO (D), armazenadas a 35 °C, em diferentes
períodos ... 96
Figura 3: Difratogramas (short spacings) das SLM do FHPO (A), FHSO (B),
FHCO (C) e FHCrO (D), armazenadas a 45 °C, em diferentes
períodos ... 97
Figura 4: Transição polimórfica das SLM do FHPO, FHSO, FHCO e FHCrO,
armazenadas a 25 °C, 35 °C e 45 °C ... 98
Figura 5: Micrografias das SLM do FHPO (1), FHSO (2), FHCO (3) e FHCrO (4)
obtidas por microscopia de varredura eletrônica, após 15 (A), 48 (B) e 139 (C) dias de armazenamento a 25 °C, com aumento de 250x (3B e 4C) e 500x (demais). 3B e 4C com barra de 300 µm e demais, barras de 200 µm. No canto inferior esquerdo é apresentada forma
polimórfica das SLM ... 106
Figura 6: Micrografias das SLM do FHPO (1), FHSO (2), FHCO (3) e FHCrO (4)
obtidas por microscopia de varredura eletrônica, após 4 (A), 29 (B), 50 (C), 65 (D), 120 (E) e 141 (F) dias de armazenamento a 35 °C, com aumento de 250x (2C e 3D) e 500x (demais). 2C e 3D com barra de 300 µm e demais, barras de 200 µm. No canto inferior esquerdo é
apresentada forma polimórfica das SLM ... 107
Figura 7: Micrografias das SLM do FHPO (1), FHSO (2), FHCO (3) e FHCrO (4)
obtidas por microscopia de varredura eletrônica, após 1 (A), 9 (B), 53 (C), 74 (D), e 103 (E) dias de armazenamento a 45 °C, com aumento de 500x. No canto inferior esquerdo é apresentada forma polimórfica
das SLM ... 108
Capítulo 4
Figura 1: Curva de sólidos (A) e isotermas de cristalização a 15 °C (B) da
manteiga de cacau (MC) e manteiga de cacau contida no liquor
(MCL) ... 132
Figura 2: Temperagem do chocolate adicionado de micropartículas (SLM) do
óleo de soja totalmente hidrogenado (FHSO) com tamanho de partícula entre 88 e 105 µm, nas condições do Teste 2 (amostra 88
CT). ... 135
Figura 3: Micrografias do chocolate controle (A) e do chocolate adicionado de
SLM do FHSO (B), produzidos nas condições do Teste Experimental, obtidas por microscopia de varredura eletrônica, após 35 dias de
Análise na taxa de 10 °C/min após 15 dias (a), 79 dias (b) e 139 dias (c). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 15 dias (d), 79 dias (e) e 139
dias (f). ... 155
Figura A2: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHSO armazenadas a 35°C.
Análise na taxa de 10 °C/min após 12 dias (a), 23 dias (b), 29 dias (c) e 92 dias (d). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 4 dias (e), 23
dias (f), 29 dias (g) e 95 dias (h)... 156
Figura A3: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHSO armazenadas a 45 °C.
Análise na taxa de 10 °C/min após 1 dia (a), 9 dias (b) e 53 dias (c).
Análise na taxa de 0,5 °C/min após 1 dia (d), 9 dias (e) e 53 dias (f) ... 157
Figura A4: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHCrO armazenadas a 25 °C. Análise na taxa de 10 °C/min após 15 dias (a) e 139 dias (b).
Análise na taxa de 0,5 °C/min após 15 dias (c) e 139 dias (d) ... 158
Figura A5: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHCrO armazenadas a 35 °C. Análise na taxa de 10 °C/min após 4 dias (a), 16 dias (b), 29 dias
(c), 92 dias (d) e 120 dias (e). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 4
dias (f), 16 dias (g), 29 dias (h), 92 dias (i) e 120 dias (j). ... 159
Figura A6: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHCrO armazenadas a 45 °C. Análise na taxa de 10 °C/min após 1 dia (a), 9 dias (b), 18 dias
(c), 88 dias (d) e 103 dias (e). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 1
dia (f), 9 dias (g), 18 dias (h), 88 dias (i) e 103 dias (j) ... 160
Figura A7: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHPO armazenadas a 25 °C.
Análise na taxa de 10 °C/min após 15 dias (a) e 139 dias (b). Análise
na taxa de 0,5 °C/min após 15 dias (c) e 139 dias (d) ... 161
Figura A8: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHPO armazenadas a 35 °C.
Análise na taxa de 10 °C/min após 4 dias (a), 92 dias (b) e 120 dias (c). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 4 dias (d), 92 dias (e) e 120
dias (f) ... 162
Figura A9: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHPO armazenadas a 45 °C.
Análise na taxa de 10 °C/min após 1 dia (a), 9 dias (b), 43 dias (c), 88 dias (d) e 103 dias (e). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 1 dia
(f), 9 dias (g), 43 dias (h), 88 dias (i) e 103 dias (j) ... 163
Figura A10: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHCO armazenadas a 25 °C. Análise na taxa de 10 °C/min após 15 dias (a), 79 dias (b) e 139
dias (c). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 15 dias (d), 79 dias (e) e
139 dias (f) ... 164
Figura A11: Eventos de fusão por DSC das SLM do FHCO armazenadas a 35 °C. Análise na taxa de 10 °C/min após 4 dias (a), 29 dias (b), 95
dias (c) e 141 dias (d). Análise na taxa de 0,5 °C/min após 4 dias
Capítulo 1
Tabela 1: Ponto de fusão e notação de alguns ácidos graxos saturados ... 8 Tabela 2: Ponto de fusão e notações de alguns triacilgliceróis ... 8
Capítulo 2
Tabela 1: Condições testadas para produção das micropartículas lipídicas
sólidas (SLM) utilizando a técnica de spray cooling ... 49
Tabela 2: Composição em ácidos graxos, Índice de Iodo (II) e Saponificação (IS)
calculados do FHSO, FHCO, FHPO e FHCrO ... 51
Tabela 3: Composição triacilglicerólica do FHSO, FHCO, FHPO e FHCrO ... 53 Tabela 4: Eventos de fusão (DSC) do FHSO, FHCO, FHPO e FHCrO ... 54 Tabela 5: Previsão da viscosidade dos hardfats, em diferentes temperaturas ... 56 Tabela 6: Short spacings e formas polimórficas dos hardfats FHSO, FHCO,
FHPO e FHCrO ... 58
Tabela 7: Diâmetros médios (D50) e índice Span das SLM do FHSO, FHCO,
FHPO e FHCrO, obtidas nos testes de otimização das condições
experimentais para obtenção das SLM... 62
Tabela 8: Comportamento polimórfico das SLM do FHSO, FHCO, FHPO e
FHCrO, 24 h após produção, utilizando as condições do T9 ... 72
Capítulo 3
Tabela 1: Distribuição granulométrica das SLM do FHSO, FHPO, FHCrO e
FHCO realizada pelo método de peneiramento vibracional ... 91
Tabela 2: Diâmetro médio, índice de polidispersidade (span) e distribuição do
tamanho de partículas das SLM produzidas por spray cooling do
FHSO, FCHrO, FHCO e FHPO ... 93
Tabela 3: Comportamento térmico de fusão (DSC) das SLM do FHSO, FHCrO,
FHPO e FHCO, armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC, em diferentes períodos, e dos respectivos hardfats, com taxa de 10
°C/min ... 101
Tabela 4: Comportamento térmico de fusão (DSC) das SLM do FHSO, FHCrO,
FHPO e FHCO, armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC,
FHSO e FHCrO em chocolate amargo ... 127
Tabela 2: Códigos dos chocolates adicionados de SLM2 do FHSO (condições do
teste preliminar 2) ... 128
Tabela 3: Parâmetros utilizados nos testes experimentais de aplicação das SLM
do FHSO em chocolate amargo ... 129
Tabela 4: Composição em ácidos graxos da manteiga de cacau (MC) e
manteiga de cacau contida no liquor (MCL) ... 130
Tabela 5: Composição em triacilgliceróis da manteiga de cacau (MC) e manteiga
de cacau contida no liquor (MCL) ... 131
Tabela 6: Tensão de ruptura das barras de chocolates produzidas com e sem
adição das SLM do FHSO e FHCrO, obtidas nas condições do Teste
preliminar 1 ... 133
Tabela 7: Tensão de ruptura (snap test) das barras de chocolates produzidas
com e sem adição das SLM do FHSO, obtidas nas condições do
Teste preliminar 2 ... 134
Tabela 8: Temperindex da massa de chocolate do tipo amargo adicionada ou
não de SLM do FHSO, monitorado durante processo de
pré-cristalização ... 136
Tabela 9: Tensão de ruptura (snap test) e Whiteness index das barras de
chocolates produzidas com e sem adição das SLM do FHSO, nas
condições do Teste Experimental ... 137
Apêndice
Tabela A1: Short spacings e formas polimórficas das micropartículas lipídicas
(SLM) do óleo de algodão totalmente hidrogenado (FHCO), armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC, em diferentes
períodos... 151
Tabela A2: Short spacings e formas polimórficas das micropartículas lipídicas
(SLM) do óleo de soja totalmente hidrogenado (FHSO), armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC, em diferentes
períodos... 152
Tabela A3: Short spacings e formas polimórficas das micropartículas lipídicas
(SLM) do óleo de crambe totalmente hidrogenado (FHCrO), armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC, em diferentes
períodos... 153
Tabela A4: Short spacings e formas polimórficas das micropartículas lipídicas
(SLM) do óleo de palma totalmente hidrogenado (FHPO), armazenadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC, em diferentes
DSC
Differential Scanning Calorimetry (Calorimetria Diferencial de
Varredura)
FHCO
Fully Hydrogenated Cottonseed Oil (Óleo de Algodão Totalmente
Hidrogenado)
FHCrO
Fully Hydrogenated Crambe Oil (Óleo de Crambe Totalmente
Hidrogenado)
FHPO
Fully Hydrogenated Palm Oil (Óleo de Palma Totalmente
Hidrogenado)
FHSO
Fully Hydrogenated Soybean Oil (Óleo de Soja Totalmente
Hidrogenado)
MC
Manteiga de Cacau
MCL
Manteica de Cacau do Liquor
MEV
Microscopia Eletrônica de Varredura
OP
Óleo de Palma
SC
Spray Cooling
SLM
Solid Lipid Microparticles (Micropartículas Lipídicas Sólidas)
INTRODUÇÃO GERAL
A cristalização de gorduras é um parâmetro crítico associado à estrutura e propriedades de grande parte dos alimentos. A estabilidade de muitos produtos processados é consideravelmente influenciada por mudanças no estado físico das gorduras e alterações nos processos de cristalização (TORO-VAZQUEZ et al., 2005). Neste contexto, destacam-se as transições polimórficas indesejáveis ocorridas em chocolates, responsáveis pela migração da gordura para a superfície, ou desenvolvimento do fat bloom.
A manteiga de cacau é o principal componente de chocolates, caracterizando a fase contínua do produto como matriz dispersante para as partículas sólidas de cacau, açúcar e leite. Na produção do chocolate, a manteiga de cacau deve ser pré-cristalizada (temperagem) antes das etapas de moldagem ou recobrimento. A temperagem, caracterizada por determinados protocolos tempo x temperatura, é empregada com o objetivo de promover a cristalização do polimorfo mais estável (LOISEL et al.,1998). Constitui-se em uma etapa crítica do processamento de chocolates, não apenas para a qualidade do chocolate produzido, mas também em termos econômicos, pois falhas exigem o reprocessamento, onerando custos energéticos e de uso de área nas plantas industriais. Chocolates temperados ou pré-cristalizados de maneira incorreta estão associados ao fenômeno do fat bloom, considerado o principal problema de qualidade na indústria de chocolates e confeitaria, que ocasiona rejeição por parte do consumidor e prejuízos consideráveis na comercialização destes produtos (DEPYPERE et al., 2009).
Em busca de novos processos de pré-cristalização, uma nova técnica conhecida como semeadura ou seeding, tem sido progressivamente estudada para a substituição do processo de temperagem. Esta técnica envolve a incorporação de triacilgliceróis (TAGs) de alto ponto de fusão, fundidos ou na forma sólida, à massa de chocolate ou à manteiga de cacau, resultando em um grande número de núcleos de cristalização bem definidos, base para a ordenação estrutural do sistema (SATO, 2001; SVANBERG et al., 2011). De modo geral, são atribuídas ao uso de sementes de cristalização as seguintes vantagens: menor sensibilidade às variações de temperatura e obtenção de produtos gordurosos com qualidade superior (LONCHAMPT; HARTEL, 2004).
Uma opção de baixo custo e alto potencial para o uso em processos de seeding são os óleos vegetais totalmente hidrogenados, também conhecidos como hardfats ou
hardstocks. Consistem em materiais de composição triacilglicerólica homogênea e bem
definida, com TAGs de alto ponto de fusão. Os hardfats têm sido objeto de estudos recentes voltados aos processos de modificação lipídica. Sua composição em ácidos graxos e em TAGs representam fatores importantes na determinação do efeito estruturante e modificador dos processos de cristalização em fases contínuas gordurosas (VEREECKEN et al., 2009; OMONOV; BOUZIDI; NARINE, 2010).
A técnica de spray cooling (SC), também conhecida pelos termos spray chilling ou
spray congealing, consiste na atomização de um fluido (que pode ser um composto único
ou suspensão de um ingrediente ativo em um material chamado carreador) em um ambiente mantido a uma temperatura inferior ao ponto de fusão do carreador. A atomização leva à formação de gotículas fundidas que solidificam por rápido resfriamento produzindo ao final micropartículas (PASSERINI et al., 2010). Essa técnica tem sido utilizada principalmente para microencapsulação de compostos como enzimas, flavors, minerais, proteínas, probióticos (MADENE et al. 2006; VOS et al., 2010; ABBAS et al., 2012; PEDROSO et al., 2012), mas também pode ser utilizada para simples micronização de um composto de interesse (GWIE et al., 2006; PORE et al., 2009). Quando micropartículas são formadas por substâncias lipídicas recebem o nome de micropartículas lipídicas sólidas (SLM – Solid Lipid Microparticles). As SLM formadas pela técnica de SC são tipicamente esféricas com superfícies lisas, podendo ser utilizadas em suspensão em meio líquido ou na forma seca (TOUBLAN, 2014).
Vários estudos foram publicados sobre o uso da técnica de SC na produção de SLM. Van Malssen et al. (2001), citados por Schenk e Peschar (2004), patentearam uma técnica para produção de chocolates que substitui o processo tradicional de temperagem, com a utilização de germens de cristalização na forma βV, produzidos a partir do processo de SC. Os chocolates apresentaram excelente brilho e boa estabilidade durante a vida-de-prateleira. Gwie et al. (2006) e Pore et al. (2009) também reportaram a produção de germens mistos de cristalização à base de tripalmitina (PPP) e manteiga de cacau pelo processo de SC.
Devido à expressiva produção nacional de manteiga de cacau e chocolates, a modificação de seus processos de cristalização é um assunto estratégico do ponto de vista industrial. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi produzir SLM de hardfats
utilizando a técnica de SC, caracterizá-las e estudar seus eventos de transição polimórfica, além de avaliar os efeitos da adição destas SLM na qualidade e estabilidade de chocolate amargo.
A apresentação deste trabalho foi elaborada em capítulos, apresentados da seguinte forma:
O Capítulo 1 consiste em uma revisão bibliográfica sobre os principais tópicos abordados no estudo, entre eles as características das matérias-primas utilizadas, cristalização de lipídios, conhecimentos sobre a técnica de spray cooling, temperagem de chocolate e os métodos utilizados para o acompanhamento dos eventos de transição polimórfica das SLM.
O Capítulo 2 descreve a produção das SLM pela técnica de SC, caracterizando os
hardfats utilizados como matérias-primas e as SLM produzidas em diferentes condições
de processo.
O Capítulo 3 trata do estudo da transição polimórfica das SLM submetidas a três diferentes temperaturas de armazenamento, por um período de até 141 dias, com a finalidade de determinar a cinética de transição para cada SLM, observando mudanças ocorridas em sua morfologia e no seu polimorfismo durante o estudo.
O Capítulo 4 apresenta os resultados da adição de SLM dos hardfats de soja e crambe, na qualidade e estabilidade de chocolate amargo, realizando testes de adição das SLM em chocolates submetidos ou não à etapa de temperagem.
Na seção de Apêndice, são apresentados resultados mais detalhados sobre o estudo da transição polimórfica das SLM, com todos os dados obtidos na análise térmica por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) e na determinação do hábito polimórfico por Difração de Raios-X.
Os resultados apresentados neste trabalho servirão como base para futuras pesquisas científicas que abordem o uso da técnica de spray cooling para micronização de material lipídico com alto ponto de fusão ou para microencapsulação de compostos utilizando estes materiais como carreadores lipídicos. Também servirá como ponto inicial para pesquisas que utilizem SLM de hardfats como material de seeding, no melhoramento da etapa de temperagem de chocolates. Parte deste estudo resultou em uma patente (N° do registro – BR1020120247917) depositada em 2012, de autoria de Ana Paula Badan Ribeiro, Theo Guenter Kieckbusch, Priscilla Efraim e Julice Dutra Lopes, conforme protocolo de depósito apresentado na seção de Anexo.
REVISÃO DE LITERATURA
1. Óleos e gorduras
Óleos e gorduras comestíveis são nutrientes essenciais da dieta humana, apresentando papel vital mediante o fornecimento de ácidos graxos essenciais e energia. Quimicamente, óleos e gorduras naturais consistem de misturas multi-componentes de triacilgliceróis (TAGs), que são ésteres de glicerol e ácidos graxos. Adicionalmente, lipídios polares (ou minoritários), como diacilgliceróis (DAGs), monoacilgliceróis (MAGs), ácidos graxos livres, fosfolipídios, glicolipídios e esteróis encontram-se solubilizados na matriz triacilglicerólica. Os triacilgliceróis podem ser formados por ácidos graxos saturados, monoinsaturados e poli-insaturados, presentes em diferentes proporções. A composição triacilglicerólica determina as propriedades físicas dos óleos e gorduras, afetando a estrutura, estabilidade, sabor, aroma, qualidade de estocagem, características sensoriais e visuais dos alimentos, além de seu valor nutritivo (KOŁAKOWSKA, A.; SIKORSKI, 2003; O’BRIEN, 2004a).
A presença de cadeias longas e saturadas nos ácidos graxos aumenta o ponto de fusão do lipídio, em razão da conformação linear, acarretando uma maior interação das moléculas e, consequentemente, permitindo um melhor empacotamento das cadeias. A maioria dos ácidos graxos insaturados presentes na natureza tem configuração “cis”, de menor ponto de fusão quando comparado à configuração trans, uma vez que sua dupla ligação não permite um empacotamento tão eficiente das moléculas, fazendo com que as interações entre elas sejam menores (CURI et al., 2002). As Tabelas 1 e 2 apresentam o ponto de fusão para alguns ácidos graxos saturados, triacilgliceróis e suas respectivas notações simplificadas.
Tabela 1: Ponto de fusão e notação de alguns ácidos graxos saturados.
Ácido Graxo Representação Notação Tfusão (°C)
Butírico B C4:0 - 8,0 Capróico Co C6:0 -3,4 Caprílico Ci C8:0 16,7 Cáprico C C10:0 31,6 Laurico La C12:0 44,2 Mirístico M C14:0 54,4 Palmítico P C16:0 62,9 Esteárico S C18:0 69,6 Araquídico A C20:0 75,3 Behênico Be C22:0 79,9 Lignocérico Lg C24:0 84,2
Fonte: Adaptado de O’Brien (2009)
Tabela 2: Ponto de fusão e notações de alguns triacilgliceróis.
Triacilgliceróis Ponto de fusão (°C)
Trissaturados de cadeia longa
SSS 73,5
SPS 68,7
PSS 65,2
PPS 62,9
PPP 66,2
Trissaturados de cadeia longa e média
SCS 60,7
PSM 58,3
PCP 51,5
PCiP 47,9
Trissaturados de cadeia média
MMLa 43,5
LaLaLa 46,5
CCLa 35,5
CCC 31,5
Fonte: Adaptado de O’Brien (2009)
1.1. Óleos vegetais totalmente hidrogenados
Óleos totalmente hidrogenados, também denominados hardfats, são produtos industriais de baixo custo, resultantes do processo de hidrogenação total de óleos líquidos. Um óleo totalmente hidrogenado é obtido quando todas as duplas ligações são saturadas no processo. Do contrário, tem-se a hidrogenação parcial, que gera isômeros
trans. A reação de hidrogenação é realizada com uma mistura de óleo aquecido e gás
principalmente utilizados nos processos de interesterificação para obtenção de gorduras com propriedades funcionais específicas e ausência de ácidos graxos trans (O’BRIEN, 2004b; RIBEIRO et al., 2007)
Abaixo, são descritas algumas características dos hardfats mais utilizados industrialmente.
Hardfat do óleo de soja
O óleo de soja (Glycine max) é constituído essencialmente por 22% de ácido oléico (C18:1), 53% de ácido linoléico (C18:2) e 8% de ácido linolênico (C18:3), que após a hidrogenação transformam-se em acido esteárico (WANG, 2002), sendo este o principal ácido graxo ao lado do ácido palmítico (em torno de 11%).
Hardfat do óleo de palma
Após a hidrogenação total do óleo de palma (Elaeis guineensis), sua composição em ácidos graxos limita-se quase exclusivamente aos ácidos palmítico (C16:0) e esteárico (C18:0), com concentrações aproximadas de 44 e 54%, respectivamente (OLIVEIRA, 2011).
Hardfat do óleo de algodão
O óleo de algodão (Gossypium hirsutum) apresenta como principais ácidos graxos o ácido palmítico (C16:0), ácido oléico (C18:1) e o ácido linoléico (C18:2), com teores entre 21,4–26,4%, 14,7–21,7% e 46,7–58,3%, respectivamente. Após a hidrogenação, o
hardfat do óleo de algodão apresenta quase em sua totalidade os ácidos palmítico
(C16:0) e o esteárico (C18:0) (O´BRIEN et al., 2005; OLIVEIRA, 2011).
Hardfat do óleo de crambe
O crambe (Crambe abyssinica) é uma planta que tem origem na região do Mediterrâneo com prevalência também na Ásia e na Europa ocidental. Atualmente é cultivada em maior escala no México e nos Estados Unidos. Em sua semente, são encontrados 35-60% de óleo e 20-40% de proteína. Entre os ácidos graxos que compõem o óleo destacam-se: erúcico (C22:1), 55,9%, oléico (C18:1), 18,0%, linoléico (C18:2), 9,4% e linolênico (C18:3), 6,5% (LAZZERI et al., 1997; ANTHONISEN; SILVA; CUNHA JÚNIOR, 2007).
Na sua forma natural, o óleo de crambe não é adequado ao uso alimentício. Porém a total hidrogenação das cadeias, faz com que o C22:1, considerado tóxico, converta-se para C22:0 (acido behênico) (OLIVEIRA, 2011).
Os hardfats apresentam composição triacilglicerólica homogênea e, geralmente, bem definida, com triacilgliceróis (TAGs) de alto ponto de fusão e têm sido objeto de estudos recentes voltados aos processos de modificação lipídica. Sua composição em ácidos graxos e em TAGs representa fator importante na determinação do efeito estruturante e modificador dos processos de cristalização em fases contínuas gordurosas (VEREECKEN et al., 2009; OMONOV; BOUZIDI; NARINE, 2010).
2. Cristalização de lipídios
Gorduras plásticas consistem em uma rede cristalina de uma matriz oleosa contínua. O processo de cristalização é a ordenação espontânea do sistema, caracterizado por restrição total ou parcial de movimento ocasionada a partir de ligações químicas ou físicas entre as moléculas triacilglicerólicas. Diferenças nas formas cristalinas resultam de diferentes empacotamentos moleculares. Um cristal, portanto, consiste de moléculas arranjadas em um padrão fixo conhecido como retículo cristalino. Seu alto grau de complexidade molecular permite que um mesmo conjunto de TAGs empacote-se em diversas estruturas diferentes e relativamente estáveis (KAWAMURA, 1979).
O comportamento de cristalização de lipídios tem implicações importantes no processamento industrial de produtos alimentícios, cujas características físicas dependem em grande parte de cristais de gorduras. Tais produtos incluem chocolates, margarinas,
spreads, gorduras para confeitaria e panificação, produtos lácteos e shortenings de uso
geral (SATO, 2001).
A cristalização de gorduras determina importantes propriedades dos alimentos: (i) a consistência e plasticidade de produtos ricos em gordura, como manteiga, margarina e chocolates, durante as etapas de produção e estocagem; (ii) propriedades sensoriais, como sensação de fusão na boca; (iii) estabilidade física, com respeito à formação ou sedimentação de cristais, exsudação de óleo e coalescência de partículas e emulsões; (iv) aparência visual, a exemplo do brilho em chocolates e coberturas (FOUBERT; VAN DE WALLE; DEWETTINCK, 2007). Na maioria dos alimentos, a cristalização isolada dos TAGs é considerada o evento de maior importância, embora a cristalização dos lipídios minoritários, como DAGs, MAGs e fosfolipídios, represente papel fundamental na qualidade de diversos produtos (METIN; HARTEL, 2005).
2.1. Mecanismos de cristalização dos lipídios
O processo de cristalização inclui a nucleação e crescimento dos cristais. A nucleação envolve a formação de agregados de moléculas que excederam um tamanho crítico e são, portanto, estáveis. Uma vez que um núcleo cristalino se formou, este começa a crescer pela incorporação de outras moléculas provenientes da camada de líquido adjacente, que é continuamente preenchida pelo líquido supersaturado que está ao redor do cristal (BOISTELLE, 1988).
Um núcleo é o menor cristal que pode existir em uma solução a determinada temperatura e concentração. A formação de um núcleo a partir da fase líquida, ou o processo de nucleação, requer a organização das moléculas em um reticulado cristalino de tamanho crítico, a partir da superação de uma barreira energética. Os mecanismos de nucleação são geralmente classificados como nucleação primária, que pode ser homogênea ou heterogênea, e nucleação secundária. Na maioria dos sistemas, a nucleação é dominada pelo mecanismo heterogêneo, no qual superfícies ou sítios catalíticos externos, como moléculas de composição diferenciada, servem como redutores da barreira energética. Embora o mecanismo exato da nucleação heterogênea não seja ainda totalmente elucidado, o fenômeno pode ser descrito como o resultado de interações entre a partícula sólida e o fluido supersaturado, acarretando a ordenação local de moléculas para a formação do núcleo. A nucleação secundária consiste na formação de um novo núcleo na presença de cristais já existentes, podendo ocorrer se elementos cristalinos microscópicos forem separados de uma superfície cristalina já formada, resultando, portanto, na fratura de cristais em pequenos núcleos estáveis (METIN; HARTEL, 2005; LAWLER; DIMICK, 2002).
Quando os núcleos formados atingem as dimensões favoráveis, estes elementos tornam-se cristalitos, cujo crescimento depende não somente de fatores externos (supersaturação, solventes, temperatura, impurezas), mas também de fatores internos (estrutura, ligações, defeitos). Consequentemente, a taxa de crescimento cristalino pode variar por diversas ordens de magnitude. O crescimento ocorre pela ligação de moléculas a uma superfície cristalina. Ao mesmo tempo em que moléculas são incorporadas na superfície de um cristal, algumas moléculas são também distanciadas. Existe uma movimentação contínua de moléculas na superfície do cristal, e o resultado destes processos determina a velocidade do crescimento, que se mostra diretamente proporcional ao sub-resfriamento e varia inversamente com a viscosidade do sistema (FOUBERT; VAN DE WALLE; DEWETTINCK, 2007). Embora a nucleação e o
crescimento cristalino sejam muitas vezes considerados eventos distintos, os mesmos não são mutuamente exclusivos. A nucleação ocorre também enquanto os cristais crescem a partir dos aglomerados moleculares formados pela quebra de outros cristais já existentes (WRIGHT; NARINE; MARANGONI, 2000).
2.2. Cinética de cristalização
A cinética de cristalização influencia intensivamente a estrutura final das gorduras e mostra-se intrinsecamente relacionada às suas propriedades reológicas e de plasticidade. Monitorando-se a formação do material sólido cristalino em função do tempo é possível verificar a natureza do processo de cristalização. A caracterização da cinética de cristalização pode ser realizada segundo o tempo de indução (SFC) ou período de
nucleação (relativo ao início da formação dos cristais) e o teor máximo de sólidos - SFCmáx. O tempo de indução reflete o tempo necessário para que um núcleo estável de
tamanho crítico seja formado na fase líquida (HIMAWAN; STAROV; STAPLEY, 2006). Como definição, SFC é o tempo requerido para a obtenção de um núcleo cristalino por
unidade de volume. O SFC geralmente aumenta com o aumento da temperatura de
cristalização isotérmica e com o decréscimo do ponto de fusão da amostra. Outro parâmetro de grande utilidade para a avaliação da cristalização isotérmica é o tempo de estabilização da cristalização (tec), definido como o tempo total para a estabilização do
conteúdo de gordura sólida a uma determinada temperatura. Este parâmetro consiste da somatória dos tempos característicos para a nucleação e para o crescimento cristalino (HACHIYA; KOYANO; SATO, 1989).
O modelo mais utilizado para descrição da cinética de transformação de fase isotérmica é o modelo de Avrami, desenvolvido em 1940, que relaciona a cinética determinada experimentalmente com a forma de crescimento e estrutura final da rede cristalina (NARINE; HUMPHREY; BOUZIDI, 2006). A equação de Avrami dá uma indicação da natureza do processo de crescimento dos cristais:
CGS (t)
CSG (∞)= 1 - e
-ktn
Onde: CGS (t) descreve o conteúdo de gordura sólida (%) como função do tempo, CGS(∞) é o limite do conteúdo de gordura sólida quando o tempo tende ao infinito, k é a constante de Avrami (min-n), que leva em consideração tanto a nucleação quanto a taxa
de crescimento dos cristais e n é o expoente de Avrami, que indica o mecanismo de crescimento dos cristais (WRIGHT et al., 2000). A partir dos efeitos da combinação de k e
n, é possível calcular o meio tempo de cristalização (t½), que reflete a magnitude da
constante de Avrami, sendo definido como o tempo necessário para atingir 50% de cristais na fração gordurosa (SABERI; LAI; TORO-VASQUEZ, 2011).
½=
0,693 /
A técnica analítica mais comum para a investigação da cinética de cristalização de gorduras é a ressonância magnética nuclear (RMN). Contudo, diversas técnicas analíticas como a calorimetria de varredura diferencial (DSC), a microscopia sob luz polarizada (MLP), bem como técnicas reológicas e turbidimétricas podem ser empregadas com sucesso. A compreensão dos fenômenos envolvidos na cinética de cristalização é tanto melhor quando do uso combinado de vários métodos instrumentais (CERDEIRA; CANDAL; HERRERA, 2004).
2.3. Polimorfismo de triacilgliceróis
Compostos de cadeia longa, como os ácidos graxos e seus ésteres, podem existir em formas cristalinas diferenciadas. Sólidos de mesma composição que podem existir em mais de uma forma cristalina são denominados polimorfos. O polimorfismo pode ser definido em termos da manifestação de diferentes estruturas de unidade celular, resultantes de diversos empacotamentos moleculares. O hábito cristalino é definido como o arranjo do cristal. De uma perspectiva cristalográfica, o hábito reflete a direção de crescimento dentro do cristal, enquanto a morfologia descreve o conjunto de faces determinado por meio dos elementos simétricos do cristal. Esta distinção permite que cristais de mesma morfologia apresentem diferentes hábitos cristalinos (LAWLER; DIMICK, 2002).
Em gorduras, os cristais são sólidos com átomos arranjados em um padrão tridimensional periódico. Uma célula é a unidade de repetição que compõe a estrutura integral de um determinado cristal. Uma sub-célula, por sua vez, é a menor estrutura periódica existente na unidade real da célula, sendo definida como o modo de empacotamento transversal das cadeias alifáticas nos TAGs. As formas polimórficas de uma gordura são identificadas com base em sua estrutura de sub-célula (BOISTELLE, 1988). Nos lipídios predominam três tipos específicos de sub-células, referentes aos
polimorfos , ’ e , segundo a atual nomenclatura polimórfica (Figura 1). A forma é metaestável, com empacotamento de cadeia hexagonal. A forma ’ possui estabilidade intermediária e empacotamento perpendicular ortorrômbico, enquanto a forma possui maior estabilidade e empacotamento paralelo triclínico. A temperatura de fusão aumenta com o aumento da estabilidade ( ’ ), como resultado das diferenças de densidade do empacotamento molecular (MARTINI; AWAD; MARANGONI, 2006).
Figura 1: Estruturas polimórficas de três formas típicas de triacilgliceróis (TAGs). (a)
Estruturas de sub-células e (b) estruturas de comprimento de cadeia.
Fonte: Adaptado de Sato e Ueno (2014)
TAGs geralmente cristalizam inicialmente nas formas e ’, embora a forma seja a mais estável. Este fenômeno relaciona-se ao fato de que a forma possui maior energia livre de ativação para nucleação. A transformação polimórfica é um processo irreversível da forma menos estável para a mais estável (transformação de fase monotrópica), dependendo da temperatura e tempo envolvidos. Em temperatura constante, as formas e ’ podem transformar-se, como função do tempo, na forma através dos mecanismos líquido-sólido ou sólido-sólido (HERRERA; MARQUEZ ROCHA,
tetra folha hexa triplo duplo Triclínico paralelo Ortorrômbico perpendicular TAG
1996). A velocidade de transformação é dependente do grau de homogeneidade dos TAGs. Gorduras com baixa variabilidade de TAGs transformam-se rapidamente na forma estável . Gorduras que consistem em distribuição randômica de TAGs podem apresentar a forma ’ indefinidamente. Além disso, fatores como formulação, velocidade de resfriamento, calor de cristalização e nível de agitação, afetam o número e o tipo dos cristais formados. Entretanto, como gorduras são misturas complexas de TAGs, podem coexistir, em determinada temperatura, as diferentes formas polimórficas e óleo líquido (SATO, 2001).
Em condições normais de subresfriamento, gorduras com tendência de cristalização na forma incluem os óleos de soja, amendoim, canola, milho e oliva, além da banha. Contrariamente, os óleos de palma e algodão, a gordura do leite e o sebo cristalizam geralmente na forma ’, permanecendo nesta forma por longos períodos (FOUBERT; VAN DE WALLE; DEWETTINCK, 2007). Em particular, para a manteiga de cacau são verificadas seis formas polimórficas, como resultado de sua composição triacilglicerólica diferenciada, em que predominam TAGs simétricos monoinsaturados, como o POP, SOS e POS. A nomenclatura característica dos polimorfos da manteiga de cacau baseia-se no sistema de numeração romano (I a VI), em que a forma I é a de menor estabilidade e a forma V é associada ao hábito cristalino desejável em chocolates, podendo-se transformar durante a estocagem na forma VI, que apresenta maior estabilidade. Entretanto, geralmente se verifica combinações desta nomenclatura com a nomenclatura grega, onde as formas V e VI são reconhecidas como V e VI (LOISEL et al., 1998; SCHENCK; PESCHAR, 2004).
A estrutura cristalina das gorduras é importante na formulação de shortenings, margarinas e produtos gordurosos em geral, uma vez que cada forma cristalina apresenta propriedades únicas em relação à plasticidade, textura, solubilidade e aeração. Gorduras com cristais na forma ’ apresentam maior funcionalidade, pois são mais macias, propiciam boa aeração e propriedades de cremosidade. Logo, a forma ’ é o polimorfo de interesse para a produção de alimentos ricos em gordura, como margarinas e produtos de confeitaria e panificação. Para a produção de chocolates com boas características físicas e sensoriais, entretanto, a forma V é o polimorfo desejável, pois está associado a propriedades como brilho, uniformidade, snap característico e aumento da vida-de-prateleira (O’BRIEN, 2004a).
A difração de raios-X é uma técnica usada para identificar o polimorfismo de cristais, por meio da determinação das dimensões da unidade cristalina e sub-células. Devido às diferentes configurações geométricas, os polimorfos difratam os raios-X a diferentes ângulos. Em gorduras, difrações em ângulos altos correspondem aos short
spacings (distâncias entre os grupos acila paralelos no TAG) das sub-células e permitem
verificar os diferentes polimorfos (CAMPOS, 2005).
2.4. Controle da cristalização
Os comportamentos de cristalização, transformação polimórfica e microestrutura de uma gordura devem-se à combinação entres propriedades físicas individuais de cada TAG e comportamento de fase da mistura entre os diferentes TAGs. Em geral, a composição específica de uma gordura é um dos fatores de maior importância para o desenvolvimento final da estrutura cristalina (VEREECKEN et al., 2009).
A cristalização de gorduras é um fator crítico associado à estruturação e propriedades de grande parte dos alimentos. A estabilidade de muitos produtos processados é influenciada por mudanças no estado físico das gorduras e alterações nos processos de cristalização, uma vez que os eventos de nucleação e crescimento cristalino ocorrem simultaneamente a diferentes taxas, pois são afetados por condições como grau e taxas de super-resfriamento, viscosidade e agitação (TORO-VAZQUEZ et al., 2005).
Nos estágios iniciais do processamento de alimentos, as velocidades relativas de nucleação e de crescimento cristalino determinam a distribuição, forma e tamanho dos cristais, parâmetros que estão diretamente associados às características de consistência e textura. Contudo, durante a etapa de estocagem, diversos fenômenos pós-cristalização podem ocorrer, afetando consideravelmente as propriedades e a estabilidade dos alimentos. Estes incluem transições polimórficas para fases termodinamicamente mais estáveis, formação de novos cristais e crescimento cristalino, migração de óleo ou de pequenos cristais. É necessário observar, entretanto, que tais eventos não são cronológicos; as transições polimórficas podem ocorrer mesmo nos estágios iniciais do processamento (HIMAWAN, STAROV, STAPLEY, 2006).
Em alguns produtos específicos, controlar a cristalização significa, sobretudo, evitar este processo, mesmo que o mesmo seja favorecido termodinamicamente ou por condições de processamento ou estocagem (CERDEIRA et al., 2005). Assim, o controle da cristalização e das transições polimórficas em gorduras consiste em um fator de fundamental importância para a indústria de alimentos.
3. Chocolate
O chocolate pode ser definido como uma dispersão de partículas de açúcar, cacau e leite em pó em uma fase gordurosa contínua (GILABERT-ESCRIVÁ, 1997; VISSOTTO et al., 1999). O produto apresenta duas características básicas que o distinguem: o sabor característico e a textura. Deve apresentar-se sólido a temperatura ambiente (20 a 25ºC) e fundir rápido e completamente durante a degustação a 36-36,5ºC (COHEN, 2003). Existem basicamente três tipos de chocolate: amargo, ao leite e branco. O chocolate amargo é feito com grãos de cacau torrados e moídos, manteiga de cacau e sem adição de leite. Este tipo de chocolate deve apresentar um mínimo de 25% de sólidos de cacau, segundo legislação específica (ANVISA, 2005).
As etapas básicas de processamento do chocolate são: mistura, refino, conchagem, temperagem ou pré-cristalização, moldagem, resfriamento, desmoldagem e embalagem. A temperagem ou pré-cristalização é um processo de indução da cristalização de forma controlada que submete o chocolate a tratamentos térmicos e mecânicos para a manteiga de cacau alcançar sua forma cristalina mais estável, conhecida como forma V. A temperagem induz à formação de pequena proporção (1-4%) de sementes de cristalização para a posterior solidificação da gordura (TIMMS, 2003). As formas de empacotamento molecular da manteiga de cacau podem ser alteradas com a mistura com outras gorduras alternativas e com a gordura de leite, exigindo modificações nas condições de processo (LUCCAS, 2001). Todas as etapas de processamento do chocolate são importantes. No entanto, a temperagem influencia de forma mais significativa nas propriedades físicas e sensoriais do produto (BECKETT, 2008; GRUNENNVALDT, 2009).
3.1. Cristalização da manteiga de cacau
A manteiga de cacau é um componente importante utilizado na fabricação de chocolates. Representa a fase contínua do produto e serve de matriz dispersante para as partículas sólidas de cacau, açúcar e leite. A manteiga de cacau é responsável por diversas características de qualidade no produto final, como dureza e quebra à temperatura ambiente (snap), completa fusão na boca, brilho, contração durante o desmolde e rápido desprendimento de aroma e sabor na degustação (TIMMS, 2003; QUAST et al., 2007). Além disso, a manteiga de cacau é um dos ingredientes mais caros do chocolate, correspondendo de 25 a 36% (m/m) do custo do produto acabado (HINDLE;
POVEY; SMITH, 2002).
A manteiga de cacau é composta por aproximadamente 97% de TAGs, principalmente do tipo saturado-insaturado-saturado. Entre estes, as espécies triacilglicerólicas 1-palmitoil-2-oleoil-palmitina (POP), 1-palmitoil-2-oleoil-estearina (POS) e 1-estearoil-2-oleoil-estearina (SOS) representam entre 80 e 90% da totalidade dos TAGs. Pequenas quantidades de MAGs e DAGs (aproximadamente 2%), ácidos graxos livres e fosfolipídios integram a composição da manteiga de cacau não refinada (LIPP; ANKLAN, 1998).
O comportamento térmico e estrutural diferenciado da manteiga de cacau reflete sua composição triacilglicerólica, pois todos os TAGs majoritários em sua composição apresentam polimorfismo complexo. O polimorfismo da manteiga de cacau mostra-se diretamente associado à qualidade do produto e à performance de processamento. As modificações cristalinas na manteiga de cacau, com exceção da forma VI, podem ser obtidas diretamente a partir do estado líquido, em condições apropriadas de resfriamento. Este fato sugere que a transição V VI é mediada apenas por transformação sólido-sólido (GARTI; SCHLICHTER; SARIG, 1986).
O chocolate deve ser pré-cristalizado (etapa também conhecida como temperagem) antes das etapas de moldagem ou recobrimento. A temperagem consiste em um resfriamento controlado sob agitação e pode, dessa forma, ser caracterizada por determinados protocolos tempo x temperatura. Em chocolates é empregada para induzir à formação de núcleos de cristais do tipo V, que conferem as características desejáveis ao produto (LOISEL et al.,1998). O processo de temperagem inicia-se com a fusão completa da fase gordurosa do chocolate, em temperaturas próximas a 40 °C. Em seguida, realiza-se um resfriamento controlado, sob agitação, para induzir a cristalização da gordura. A taxa de resfriamento deve ser próxima de 2 °C/min até uma temperatura de aproximadamente 28 °C. Nesta etapa, além da formação dos cristais desejados do tipo V, também ocorre a formação de quantidades menores de cristais indesejáveis, como por exemplo do tipo ’, instável e de ponto de fusão mais baixo, que são eliminados com um aquecimento posterior da massa a 30-32 °C (QUAST et al., 2007). Este procedimento é a técnica usual para controle da cristalização polimórfica da manteiga de cacau (SATO, 2001).
