Baixe Obtenção de antocianinas presentes no repolho roxo e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Alimentos, somente na Docsity! MÔNICA RONOBO COUTINHO OBTENÇÃO DE ANTOCIANINAS PRESENTES NO REPOLHO ROXO (Brassica oleracea) FLORIANÓPOLIS 2002 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS OBTENÇÃO DE ANTOCIANINAS PRESENTES NO REPO- LHO ROXO (Brassica oleracea) Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Engenharia de Alimentos do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Ca- tarina, como requisito parcial à obtenção do Título de Mestre em Engenharia de Alimentos. Orientador : Profa. Dra. Mara Gabriela Novy Quadri Co-Orientador: Profº. Dr. Marintho Bastos Quadri MÔNICA RONOBO COUTINHO FLORIANÓPOLIS 2002 RESUMO Com o objetivo de obter-se antocianinas em pó foram realizados neste traba- lho estudos de separação, encapsulação e secagem do suco bruto de repolho roxo (Brassica oleracea). O suco bruto do repolho roxo possui cerca de 35g.l-1 de açúcares redutores, o que faz com que ocorra uma rápida deterioração do suco, além de problemas em processos subsequentes (secagem por atomização, por exemplo). Para purificação parcial do suco, duas resinas adsorventes (Sephadex LH20 e Amberlite XAD7) fo- ram estudadas através de cinéticas e isotermas de sorção. Dentre as duas resinas estudadas, a Amberlite XAD7 mostrou-se mais efici- ente, nos processos de separação corante-açúcar e de recuperação do corante. A interação resina-corante parece ser química, com entalpia de adsorção de – 17,13 kcal mol-1. A cinética é bem descrita por uma equação empírica de pseudo- segunda ordem. Um estudo de encapsulamento do extrato parcialmente purificado foi realiza- do, e maltodextrina e goma arábica foram utilizadas como material de parede So- mente a goma arábica formou cápsulas enquanto que a maltodextrina atua apenas como excipiente. As emulsões foram secas por atomização e a qualidade do pó ob- tido foi testada. Isotermas de adsorção de umidade mostraram que o aumento do te- or de material de parede na mistura diminui a higrocapacidade do pó corante seco, e que a goma arábica produz um pó mais estável a altas umidades relativas. O au- mento da quantidade de maltodextrina diminui o poder de coloração da antocianina de forma não linear; a goma arábica aumenta a absorbância, porém esta pode ser devida à existência de turbidez e escurecimento da solução de corante. ABSTRACT In this work it was studied the separation, encapsulation and drying of antho- cyanins from red cabbage (Brassica oleracea ). Red cabbage juice deteriorates quickly and this process is accelerated by sugars present in solution. To prevent fermentation and facilitate drying, sugars (about 35 g.l-1) must be extracted. Besides fermentation and production of sulfur derivates gives a bad odour. To make a partial purification of the juice, two absorbent resins were studied: Sephadex LH20 e Amberlite XAD7. Kinetic and isotherm were developed. Amberlite XAD7 was the best medium to separate colorant-sugar, and it gives a better colorant recuperation. Interactions between resin and colorant seems be a chemisorption: sorption entalpy found was –17,13 kcal mol-1, and sorption kinetics was well described by a pseudo-second ordem equation. Maltodextrin and arabic gum were used to encapsulate the colorant. Capsules in aqueous media were observed only in arabic gum solution. Maltodextrin acts as an excipient. The quality of dried powder was tested. Humidity adsorption isotherm showed that increasing wall material content in the mixture, dried colorant higrocapacity de- creases and that arabic gum produces a more stable powder at higher relative hu- midity. For the coloring power, increasing maltodextrin content anthocyanin colorant power decreases in a non linear way. On the other hand, increasing arabic gum con- tent, absorbancy rises, probably due to the existence of an observed turbidity and darkness of dissolved colorant in a solution form. SIMBOLOGIA A absorbância aw atividade de água b parâmetro de afinidade de Langmuir (L3M-1) Bi Biot de massa C constante de Guggenheim Ce concentração na fase líquida no equilíbrio (M.L-3) Ci concentração de corante na fase liquida no interior dos poros da partícula (ML-3) C(t) concentração na fase líquida (M.L-3) ( )tC concentração média na fase líquida (ML-3) CS(t) concentração na superfície da partícula (M.L-3) C∞(t) concentração global na fase líquida externa à partícula no tempo (ML-3) Def coeficiente de difusividade efetiva (L2.T) F fator de diluição Hl calor de condensação do vapor de água pura Hm calor de sorção da primeira camada nos sítios primários Hn calor de sorção das moléculas de água na multicamadas k fator de correção das propriedades das moléculas da multicamada com respeito ao volume de líquido k1 constante da taxa de sorção de pseudo-primeira ordem (T-1) k2 constante da taxa de sorção de pseudo-segunda ordem (M.M-1T-1) ki constante da taxa de difusão intraparticular (M.M-1T0,5) K constante da lei de Henry (L3.M) Kconv coeficiente de transferência de massa no filme (LT-1) KL constante de equilíbrio de Langmuir (L3.M-1) n expoente da isoterma de Freundlich qe quantidade de corante adsorvida no equilíbrio (M.M-1) qi quantidade de corante adsorvido (M.M-1) q0 quantidade máxima de corante adsorvida no equilíbrio (M.M-1) q1 quantidade de corante adsorvida no equilíbrio pseudo-primeira ordem (M.M-1) q2 quantidade de corante adsorvida no equilíbrio pseudo-segunda ordem (M.M-1) 4.1.2 Escolha da melhor resina para o processo de separação ...............................................44 4.1.2.1 Cinéticas de sorção preliminares ................................................................................................................44 4.1.2.2 Eficiência da separação de açúcares ...........................................................................................................46 4.1.2.3 Avaliação da capacidade de recuperação do corante ..................................................................................47 4.1.3 Determinação da entalpia de adsorção de corante sobre resina Amberlite XAD-7.........51 4.1.4 Dinâmica de sorção de corante sobre resina Amberlite XAD7 ........................................53 4.1.4.1 Modelagem fenomenológica do processo de sorção...................................................................................53 4.1.4.2 Modelagem empírica ..................................................................................................................................54 4.2 ENCAPSULAMENTO E QUALIDADE DAS ANTOCIANINAS PÓ PROVENIENTES DE REPOLHO ROXO, NA FORMA DE PÓ........................................................................................................................................58 4.2.1 Encapsulamento do corante.............................................................................................58 4.2.2 Avaliação da qualidade do pó obtido................................................................................60 4.2.2.1 Avaliação da estrutura física da antocianina em pó....................................................................................60 4.2.2.2 Avaliação da higrocapacidade da antocianina em pó .................................................................................63 4.2.2.3 Poder de coloração .....................................................................................................................................66 5 CONCLUSÕES...............................................................................................................................69 6 SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS.................................................................................71 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................................72 Introdução 1 1 INTRODUÇÃO Desde 1856, quando o químico inglês Sir William Perkin (1838 – 1907) des- cobriu o primeiro corante sintético, a malveína, obtida por oxidação da anilina com bicromato de potássio, os fabricantes de alimentos perceberam a importância da cor para o aumento do consumo desses produtos. O impulso nas vendas fez com que a prática de colorir alimentos aumentasse de tal maneira que o aspecto toxicológico dos corantes utilizados não foi considerado. Desde 1971, a International Agency for Research on Cancer (IARC) estuda o efeito cancerígeno de substâncias no orga- nismo humano. A partir de 1974, a preocupação com a segurança e a proteção sani- tária sobre o consumo de alimentos com aditivos, tornou-se mundial. Por outro lado, a busca de sucedâneos naturais é hoje objeto de estudos por parte das grandes empresas privadas e instituições de pesquisa em todo o mundo. Os corantes artificiais são mais utilizados por terem maior poder tintorial, mai- or estabilidade, maior gama de cores e serem de obtenção mais econômica. Porém, podem apresentar efeitos nocivos à saúde, como vaso-constrição, alergia, disritmia, taquicardia, além de doenças da tireóide e lesões no fígado. Muitos corantes artifici- ais são comprovadamente cancerígenos (Dasmaceno, 1988; Guimarães et al., 1984). A proibição do vermelho amaranto e de alguns corantes azuis, e a restrição progressiva de muitos corantes sintéticos (FAO/OMS, FDA e Secretaria Nacional de Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde do Brasil) contribuíram para estimular a pesquisa de corantes naturais, não tóxicos, principalmente de origem vegetal (Cas- con et al., 1984). Atualmente, estima-se que a demanda por corantes naturais cresça de 5% a 8% ao ano, enquanto a demanda por corantes sintéticos cresce apenas 3%. (The advantages of natural colors in food products, 1999). O repolho roxo (Brassica oleracea) é uma fonte rica e relativamente barata de um pigmento arroxeado. Seu extrato apresenta poder tintorial e estabilidade superio- res aos outros corantes da classe das antocianinas, em virtude de sua configuração química (Bridle & Timberlake, 1997). Seu extrato porém, apresenta substâncias sul- furadas que são extraídas juntamente com pigmentos e que lhe conferem odor de- sagradável (Guimarães et al., 1986). O repolho roxo possui ainda uma quantidade Introdução 2 significativa de açúcares redutores, o que acelera sua degradação ou causa proble- mas em processos seguintes como a secagem por atomização. O objetivo geral do presente trabalho é a obtenção de um corante, antociani- na, na forma de pó, a partir de repolho roxo (Brassica oleracea). Para tanto, foi ne- cessário desenvolver estudos de extração do suco bruto de repolho roxo, separação dos açúcares, encapsulação e secagem. Foi iniciado um estudo sobre a qualidade do pó obtido. Nesta pesquisa, duas resinas adsorventes foram usadas Sephadex LH20 e Amberlite XAD7 para purificação parcial do suco. Um estudo aprofundado do processo de sorção, envolvendo a obtenção experimental de cinéticas e isotermas, com a respectiva modelagem do processo é apresentado. Dois materiais de parede foram testados no encapsulamento, e a qualidade do pó encapsulado foi avaliada por meio de isotermas de sorção de umidade e poder corante. Micrografias ilustram a qualidade do encapsulado e do pó obtido. Revisão Bibliográfica 5 O + 3 5 7 19 1' 3'4' 5' Figura 2.1- Estrutura química do núcleo flavilium (Jackman & Smith, 1992). OH + HO OH OH O R1 R2 7 5 3 3'4' 5' Figura 2.2- Estrutura química de uma antocianidina (Timberlake, 1980). A cianidina é a forma de ocorrência mais comum das antocianidinas seguida pela perlagonidina, peonidina e delfinidina, petunidina e malvidina (Figura 2.2). As estruturas mais comuns apresentadas pelas antocianidinas são apresentadas na Tabela 2.1. Tabela 2.1- Antocianidinas mais comuns (Timberlake, 1980). Aglicona R1 R2 λmax(nm) Pelargonidina H H 520 Cianidina OH H 535 Peonidina OCH3 H 532 Delfinidina OH OH 546 Petunidina OCH3 OH 543 Malvidina OCH3 OCH3 542 Antocianinas podem ser glicosiladas nas posições 3, 5 , 7, 3', 4' e 5' por dife- rentes açúcares, mas sempre ocorre glicosilação na posição 3, o que confere à mo- lécula maior solubilidade e estabilidade. Os açúcares mais comuns ligados à antoci- aninas são glucose, ramnose, galactose, arabinose, frutose e xilose. Di e trissacarí- deos formados pela combinação destes monossacarídeos também podem glicosilar algumas antocianinas (Jackman & Smith, 1992). Em alguns casos, as moléculas de Revisão Bibliográfica 6 açúcares são acilados pelos ácidos p-cumárico, cafeico, ferúlico, p-hidroxibenzóico, sinápico, malônico, acético, succínico, oxálico ou málico. Quando presentes, estes substituintes estão geralmente ligados ao açúcar 3 da antocianina (Harbone4 apud Jackman & Smith, 1992). Os ácidos aromáticos cumáricos, caféico, ferúlico, p- hidroxibenzóico e sinápico são facilmente detectados devido a banda de absorção no espectro UV/Vis na faixa de 300-340nm. A presença de ácidos aromáticos confe- re maior estabilidade à molécula de antocianina que os ácidos alifáticos (Francis, 1989). Antocianinas aciladas apresentam maior estabilidade do que suas análogas não aciladas (Saito et al.,1995). O repolho roxo, segundo Idaka5 apud Bridle & Tim- berlake (1997) possui mais de 15 tipos de antocianinas. Elas são baseadas em qua- tro antocianinas complexas, Cy 3-5-diglicosídeo e Cy 3-diglicosídeo acilado na posi- ção 3- com ácidos ferúlicos, p-cumárico e ácidos sinápicos. A extensiva acilação ex- plica a estabilidade superior e características das cores desse pigmento do repolho roxo (Bridle & Timberlake, 1997) A metoxilação de antocianidinas acontece mais frequentemente nas posições 3' e 5' bem como nas posições 7 e 5 . Nenhuma antocianina natural foi relatada em que todas as posições 3, 5, 7 e 4' fossem glicosiladas ou metoxiladas. Um grupa- mento hidroxila livre se agrupa a qualquer posição 5, 7 ou 4', pois são essenciais pa- ra a formação da estrutura básica quinoidal (anidro). Esta estrutura, muito importante para a pigmentação da flor e do fruto, é gerada da estrutura de um flavílium por per- da do hidrogênio do ácido hidroxilado (Brouillard6 apud Jackman & Smith, 1992). A Tabela 2.2 apresenta várias antocianinas presentes em plantas comestí- veis. 4 HARBONE, J.B. Phytoche., v. 3 (1964) 151-160. 5 IDAKA, E. (1987, 1988) Acylated anthocyanins from red cabbage. Japanese patents. 6 BROUILLARD, R In:MARKAKIS, P. Anthocyanins as Food colors. London:Academic Press, New York. 1982. cap. 1 Revisão Bibliográfica 7 Tabela 2.2 - Distribuição de antocianinas em plantas comestíveis comuns Denominação Botâni- ca Nome comum Antocianinas presentes Allium cepa Cebola roxa Cy 3-glicosídeo, 3-galactosídeo, 3-diglicosídeo e 3-laminariobiosídeo; Pn 3 glicosídeo Brassica oleracea Repolho roxo Cy 3-soforosídeo-5-glicosídeo acilado com malo- nil, p-curaroil, di-p-cumaroil, feruloil, diferuloil, si- napoil e esteres de disinapoil Fragaria spp. Morango pg e Cy-3-glicosídeo Malus pumila Maçã Cy-3-glicosídeo, 3-xilosídeo, 3-galactosídeo, 3- e 7-arabinosídeos; livre e acilada Mangifera indica Manga Pn 3-galactosídeo Raphanus sativus Rabanete verme- lho Pg e Cy-3-soforosídeo-5-glicosídeo acilado com esteres p-cumárico, ferrúrico e cafeico Rubus fruticosus Amora preta Cy 3-glicosídeo e 3-rutinosídeo, livre e acilada Mv biosídeos Vitis spp Uva Cy, Pn, Dp, Pt e Mv mono e diglucosídeos, livre e acilada Zea mays Milho roxo Cy, Pg e Pn 3-glicosídeos; Cy 3-galactosídeos, li- vre e acilada Abreviações: Cy- cianidina; Pg- perlagonidina; Pn- peonidina; Dp- delfinidina; Pt- pe- tunidina; Mv- malvidin (Jackman e Smith, 1992.). As antocianinas são geralmente representadas como cátions de flavilium pois foram primeiramente isolados nesta forma em soluções ácidas fortes. Mas podemos afirmar que a antocianina é um ânion livre e representado por uma base quinoidal (Figura 2.3, Fórmula A). A Figura 2.3 também mostra outros equilíbrios químicos da antocianinas a natureza destes foi extensamente estudada e discutida por Brouillard e colaboradores (Brouillard & Dubois, 1977; Brouillard & Delaporte, 1977; Brouillard, 1988). A protonação da base quinoidal azul (A) da malvidina 3-glicosídeo nos dá o cátion flavilium vermelho(AH+), o qual pode ser hidratado a uma pseudo-base inco- lor (B) que existe em equilíbrio tautomérico com a chalcona (C), também incolor, formado pela abertura do anel heterocíclico. Em uma solução aquosa ácida, podem Revisão Bibliográfica 10 2.2.2 Extração O meio mais tradicional e comum de extração de antocianinas envolve mace- ração em solvente de baixo ponto de ebulição que contenha uma pequena concen- tração de ácido mineral (Jackman & Smith, 1992). Guimarães et al. (1986) ao comparar diversos solventes extratores pelo pro- cesso de imersão seguido de percolação na obtenção de antocianinas de repolho roxo constataram que água acidificada (HCl 0,05N) é mais eficiente do que etanol acidificado (HCl 1,5N) e do que SO2 em água. Fossen & Andersen (1998) extraíram antocianinas de flores de Phragmites australis com 1% de TFA em MeOH a 5ºC, e em 1999 extraíram antocianinas de Nynphaéa caerulea com 5% de ácido acético em MeOH. Bronnum-Hansen & Hansen (1983) extraíram antocianinas da polpa de Sum- bucus nigra L. (elderberry - baga de sabugueiro) por maceração durante 2 minutos com ácido hidroclórico 0,1M. Andersen (1985) macerou Vaccinium vites-idaea L. (cowberry - mirtilo verme- lho) com etanol acidificado com 1% de ácido hidroclórico concentrado. Francis & An- dersen (1984) utilizaram o mesmo solvente extrator para extrair antocianinas de Ri- bes nigrum L. (European blackcurrants - groselha preta). Água foi utilizada para extrair antocianinas de morangos, ruibarbo e framboe- sa por Wroslstad & Struthers em 1971. Enocianinas (antocianinas de uva) são extraídas na França, por um processo contínuo em contra corrente com 0,2% de dióxido de enxofre (SO2) em água a 80ºC (Bridle & Timberlake, 1997). Shi et al (1992a) extraíram antocianinas de batata doce (Ipomoea batatas) com 1% HCl em metanol em ebulição. Rodrígues-Saona et al. (1999) extraíram, pelo processo de obtenção de suco, antocianinas de rabanete e batata vermelha. Kraemer-Schafhalter et al. (1998) apli- caram o mesmo método para obtenção de antocianinas de black chokeberry (Aronia melanocarpa var Nero). Segundo Markakis7 apud Jackman & Smith, (1992) nenhum dos sistemas de solventes usados com o propósito de extração são específicos para antocianinas. A 7 MARKAKIS, P. Anthocyanins as Food Colors. London: Academic Press. 1982. 263p. Revisão Bibliográfica 11 possibilidade de haver materiais estranhos ou outras substâncias polifenólicas pode influenciar nas análises de identificação e/ou na estabilidade dos pigmentos A Tabela 2.3 apresenta uma lista de solventes utilizados no processo de ex- tração de antocianinas e seus respectivos pesquisadores. Tabela 2.3 - Lista dos solventes polares utilizados no processo de extração de anto- cianinas por diversos pesquisadores Solvente extrator Autores solução de 3% de ácido trifluoracético (TFA) em água (v/v) Baublis et al. (1994) água destilada - temperatura ambiente Sapers et al. (1985) e Drabent et al.(1999) água:HCl (0,05N) (1:10 v/v)) Guimarães et al. (1986) 1% ácido clorídrico em etanol (p/v) Cascon et al. (1984) e Oszmianski et al. (1988) 1% ácido trifluoracético (TFA) em metanol Fossen e Andersen (1998) e Torskangerpoll et al. (1999) 5% ácido acético em metanol Andersen e Fossen (1995) e Fossen et al. (1999) 0,2% ácido cloridrico em metanol Fossen et al. (1998) 0,1% ácido clorídrico em metanol Hoshino et al (1980) e Lu et al. (1992) 15% ácido acético em metanol Lewis et al (1995) Metanol-ácido acético-água (9:1:10) Lu et al. (1992) 1% ácido hidroclorico em metanol Francis e Andersen (1984) 1% ácido clorídrico em metanol Lee e Hong (1992) 1% ácido hidroclorico em etanol (v/v) Andersen (1985) 0,5M ácido citrico em metanol Fossen et al. (1998) ácido hidroclorico 0,1M Bronnun-Hansen e Hansen (1983) Revisão Bibliográfica 12 2.3 Processo de adsorção para separação e/ou purificação O processo de adsorção de corantes é muito estudado e aplicado à remoção de corantes de águas residuárias. Estudos recentes, como o de Moreira et al.(2001), estudaram, através da termodinâmica e cinética, a remoção de corantes têxteis por adsorção em carvão mineral ativado com alto teor de cinzas. Os resultados mostra- ram que este carvão é eficiente e que a taxa de adsorção é governada pela difusão interna. Meshko et al. (2001) estudaram cinética e termodinamicamente a adsorção de dois corantes básicos sobre carvão ativado granular e zeólita natural. As isoter- mas mostraram que o carvão tem maior capacidade de adsorção destes corantes do que a zeólita. Yeh & Thomas (1995) fizeram um estudo cinético da remoção da cor (Vermelho Disperso, 60) de resíduos têxteis usando carvão ativado em pó como ad- sorvente. Sobre antocianinas pouco foi o material encontrado sobre a purificação com o objetivo de se obter um extrato livre de algum componente indesejável. A purificação por adsorção-dessorção é um método relativamente simples para separar materiais indesejáveis, de antocianinas. Este processo foi estudado por Kraemer-Schafhalter et al. (1998) para purificar extrato antociânico de “Aronia melanocarpa var Nero”. Dezesseis materiais foram testados como fase sólida em escala laboratorial. Um ex- trato livre de açúcares, ácidos e proteínas foi obtido, sendo que os materiais que a- presentaram melhores resultados foram Serdolit PAD IV e Amberlite XAD-7. Em geral, os estudos de separação de antocianinas são feitos com o objetivo de separar e identificar cada antocianina presente no extrato. Para tanto a purifica- ção de antocianinas é conduzida por técnicas cromatográficas, especialmente pela cromatografia em papel, (Yoshitama, 1981; Bridle et al., 1984; Jackman et al., 1987; Terahara et al., 1988, 1989; Shi et al., 1992a) uma microtécnica muito útil na separa- ção de antocianinas individuais e na realização da análise qualitativa dos mesmos em função dos tempos de retenção (RF) e cores apresentadas (Collins et al., 1997). Outras técnicas alternativas de cromatografias foram extensivamente estuda- das. Fossen et al. (1999), Hoshino et al. (1980), Andersen & Fossen (1995) e Shi et al. (1992a) estudaram a separação e purificação por Cromatografia de camada del- gada (TLC). A Cromatografia em coluna aberta foi aplicada a quantidades maiores, com a utilização de diversos adsorventes tais como Sephadex LH-20 (Fossen et al., Revisão Bibliográfica 15 A constante de equilíbrio KL pode ser usada para determinar a entalpia de ad- sorção, ∆H, através da equação de Clausius-Clapeyron       ∆−= RT H AK L exp (2.4) Valores negativos de ∆H indicam que calor é liberado durante o processo de adsorção e valores positivos do calor de adsorção indicam que calor é consumido das vizinhanças. Na maioria dos processos de adsorção existe desprendimento de calor, e por- tanto variação de entalpia (∆H) negativa. A necessidade de que ∆H seja negativo, é conseqüência, em geral, do fato de que a entropia da camada adsorvida é menor que a da solução. b) Isoterma de Freundlich A isoterma de Freundlich, dada pela Equação 2.5 considera a adsorção em multicamadas e é útil para descrever a adsorção em superfícies altamente heterogê- neas. Em muitos casos fornece uma representação do equilíbrio de adsorção de um único soluto melhor que a isoterma de Langmuir (Fritz e Schlunder, 1981). n eFe CKq = (2.5) onde qe (M.M -1) é a quantidade adsorvida na fase sólida, Ce (M.L -3) a concentração na fase líquida no equilíbrio, sendo KF e n os parâmetros empíricos de Freundlich. A desvantagem desta isoterma empírica é que ela não se reduz à Lei de Hen- ry a concentrações próximas de zero (Fritz e Schlunder, 1981) e sua aplicabilidade é restrita a um intervalo de concentração limitado. O expoente n dá uma indicação se a isoterma é favorável ou desfavorável. Valores de n menores do que 1 indicam a tendência do soluto de migrar para o sólido e valores de n maiores que 1 indicam a tendência do soluto de permanecer na fase líquida (Freundlich9 apud Perry, 1980). A Equação (2.5) pode ser linearizada usando uma expressão logarítmica on- de o expoente n e a constante KF podem ser determinados a partir dos coeficientes angulares e lineares. eFe CnKq logloglog += (2.6) 9 FREUNDLICH, Colloid and capillary chemistry, Dutton, New York. Trinomial, Advan. Chem. Eng., v. 2, p. 157, 1958. Revisão Bibliográfica 16 2.3.3 Dinâmica de sorção Todo sistema passa por uma fase de transição até que o equilíbrio seja esta- belecido. Nesta fase a velocidade na qual as substâncias são removidas da fase lí- quida para a fase sólida é um fenômeno importante quando avaliamos a eficácia do adsorvente nos processos de separação. A taxa de adsorção representa a combina- ção de efeitos de difusão através da camada laminar do fluido que circunvizinha a matriz sólida, difusão intraparticular e adsorção na superfície no interior dos poros. Muitas soluções matemáticas que descrevem perfis e/ou históricos de concentração são limitadas para o caso especial em que somente um destes fenômenos controla a taxa de adsorção completa. A sequência de etapas individuais do mecanismo de adsorção em sólido po- rosos é a seguinte: i- transporte das moléculas do fluido até a camada limite; ii - movimento das moléculas do fluido através da camada limite e adsorção nos sítios superficiais externos; iii - migração das moléculas do fluido dentro dos poros, e; iv - interação das moléculas do fluido com sítios disponíveis na superfície in- terna. Uma ou mais destas etapas pode controlar a velocidade na qual as moléculas do fluido são adsorvidas e a quantidade adsorvida na partícula sólida. A baixa velo- cidade de agitação, a resistência na camada limite será significativa e a etapa ii será importante no processo controlador da velocidade. A quantidade adsorvida, qi (M.M -1) pode ser descrita de uma maneira feno- menológica (p.e. modelo de filme e poro) ou de uma maneira empírica. Ho & McKay, 1998 e Wu et al., 2001 aplicaram três modelos empíricos. Estes modelos são conhe- cidos como modelo de pseudo primeira ordem, pseudo segunda ordem e o modelo de difusão intraparticular. Revisão Bibliográfica 17 2.3.3.1 Modelagem fenomenológica Modelo de difusão no filme e poro O modelo de difusão no filme e poro baseia-se no modelo de transferência de massa do núcleo não reagido e foi proposto por Levenspiel (Levenspiel10 apud Wal- ker e Weatherley, 1999). Neste modelo uma reação começa na superfície da partícu- la, formando uma zona não reagida cujo limite se move em direção ao centro, com uma velocidade característica da reação (Figura 2.6). Então, durante o tempo total de reação há um núcleo não reagido, diminuindo de tamanho à medida que a reação se processa. A concentração diminui de C(t) no seio do fluido para Cs(t) na superfície da partícula. Isto é causado pela resistência externa no filme, cuja magnitude é dada pelo o coeficiente de transferência de massa Kconv. A concentração superficial Cs(t) diminui até zero em um ponto rf no interior da partícula devido à resistência interna, e que pode ser avaliada utilizando Def, a difusividade efetiva. A frente de reação se move para o centro da partícula a uma concentração bem definida e velocidade va- riável. Portanto, a taxa de adsorção é calculada utilizando uma combinação de dois parâmetros de transferência de massa, Kconv e Def, podendo-se descrever a partir disto o perfil da curva de concentração (Yeh e Thomas, 1995). Figura 2.6 Perfil de concentração no sólido, adaptado de Yeh e Thomas (1995) 10 LEVENSPIEL, O. Chemical Reaction Enginnering. Wiley, New York, 1962 N Solução R rt C(t) Cs (t) q* = constante q(t) Partícula reagida drt Partícula não reagida Revisão Bibliográfica 20 A equação de Lagergren (Lagergren11 apud Ho & McKay,1998, 1999) foi a primeira equação proposta para taxa de sorção de um sistema sólido/líquido, basea- da na capacidade do sólido. A equação de Lagergren é uma das equações mais u- sadas para a taxa de sorção de soluto em solução líquida. Ela é dada por: ( )tt qqkdt dq −= 11 (2.13) onde k1 é a constante da taxa de sorção de pseudo-primeira ordem, q1 é a quantida- de adsorvida no equilíbrio e qt é a quantidade adsorvida em função do tempo. Integrando a Equação 2.13 nos limites de 0=t até tt = , e de 0=tq a tt qq = , temos: ( ) ( ) tkqqq t .303.2loglog 1 11 −=− (2.14) q1 é o valor experimental dado pela cinética quando ∞=t . Quando log (q1) for igual ao coeficiente linear da Equação (2.14), temos uma cinética de primeira or- dem verdadeira. Se for diferente, e descrever bem os resultados, é uma cinética de pseudo-primeira ordem. Neste último caso, k será uma função da concentração, o que não ocorre com uma cinética de primeira ordem verdadeira, onde k é uma cons- tante. b) Taxa de sorção segundo uma cinética de pseudo-segunda ordem Uma equação de pseudo segunda ordem baseada na capacidade de adsor- ção no equilíbrio pode ser expressa na forma (Ho & McKay, 1998) ( )222 tt qqkdt dq −= ( 2.15) 11 LAGERGREN, S. Zur theorie der sogenannten adsorption geloster stoffe. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens. Handlingar, v. 24, n. 4, p 1-39, 1898. Revisão Bibliográfica 21 onde q2 é a quantidade de corante adsorvida no equilíbrio (M.M -1`) e k2 é a taxa constante de adsorção de pseudo segunda ordem (M.M-1T-1). Integrando nos mes- mos limites que para a Equação 2.13, temos ( ) tkqqq t 222 11 += − ( 2.16) A Equação 2.16 pode ser rearranjada na seguinte forma: t qqkq t t 2 2 22 11 += (2.17) O gráfico de t/q em função de t deve ser testada para obtenção dos parâme- tros q2 e keq2. Novamente, do mesmo modo que para q1, q2 obtido pelo coeficiente angular da reta deve ser igual ao valor obtido experimentalmente quando ∞=t , para que este modelo seja adequado (Ho & McKay, 1998). Os dois modelos apresentados acima representam uma adsorção química dependente do tempo. A etapa limitante do processo pode ser conseqüência de um mecanismo de difusão intraparticular muito lento, sendo a etapa de sorção, sobre a superfície interna, um processo instantâneo. Neste caso, a sorção seria dada por uma solução simplificada. c) Sorção controlada pela difusão intraparticular Considera-se que um transporte difusivo pode ser dado por 5,0tkq it = (2.18) onde ki é constante da taxa de difusão intraparticular, e é um coeficiente de transfe- rência de massa que engloba difusão efetiva, dimensões e características físicas da partícula. Revisão Bibliográfica 22 2.4 Encapsulação As antocianinas, são geralmente substâncias termo e foto sensíveis, suscep- tíveis à oxidação. Encontrando-se frequentemente na forma líquida quando em con- dições ambiente, estão expostas ao contato com outras substâncias e o meio exter- no, o que as leva à degradação com relativa facilidade. A necessidade de conservação destes pigmentos tem incentivado o desen- volvimento de novas pesquisas neste setor. As duas formas mais importantes de conservação do pigmento são encapsulação e adição de antioxidantes. A encapsulação tem se tornado uma forma atrativa de transformar alimentos sensíveis, nas formas líquidas e gasosas em materiais de fácil manuseio e de maior estabilidade, liberando o conteúdo apenas no momento adequado. Na área de alimentos, os estudos foram iniciados nos anos 60 pelo Instituto de Pesquisas Southwest (Estados Unidos), com a encapsulação de óleos essenciais para prevenir a oxidação, a perda de substâncias voláteis e controlar a liberação do aroma. Além dos aromas, a aplicação dessa tecnologia estendeu-se a aditivos natu- rais e ingredientes tais como corantes, temperos, acidulantes, vitaminas e minerais. A técnica da encapsulação protege esses ingredientes contra perdas nutricionais e preserva ou mascara cor e sabores (inibindo a reação com outros materiais), além de incorporar aos alimentos mecanismos de controle da liberação de certos compo- nentes (Ré, 2000). A encapsulação é um processo que consiste em revestir, com uma fina ca- mada, pequenas partículas sólidas ou gotículas de líquidos puros, soluções ou dis- persões, afim de, primeiramente, preservar esse material e, em seguida, permitir a liberação controlada de seu conteúdo sob condições específicas (Shahidi & Han, 1993). Quando o tamanho da cápsula é menor do que 5000µm, elas são geralmente classificadas como microcápsulas e o processo é chamado microencapsulação (A- nandaraman & Reineccius, 1980) O processo de encapsulação envolve a formulação de uma emulsão constitu- ída por agentes encapsulantes e encapsulado, seguida por uma homogeneização, onde ocorrerá uma formação de um complexo entre estes. As cápsulas podem ter diâmetros que variam de unidades de micrômetros até milímetros, e ainda apresen- tar diversas formas, dependendo dos materiais e métodos usados para sua obten- ção. Revisão Bibliográfica 25 Contudo, houveram casos onde a maltodextrina mostrou ser ótimo agente encapsulante(tanto pura como combinada com outros agentes encapsulantes). Veri- ficou-se que a maltodextrina com alta D.E.(dextrose equivalente) é melhor encapsu- lante do que maltodextrina com baixo D.E. (O'Boyle et al, 1992; Wagner & Wathe- sen, 1995; Sheu & Rosenberg, 1995). Outro agente encapsulante muito usado é o Capsul, um amido modificado, no qual foi acrescentado um componente lipofílico (succinato de octanil), que aumenta a capacidade e a estabilidade da emulsão. Outra substância obtida a partir do ami- do, que também é muito adequada para encapsulação, é a ciclodextrina que tem a particularidade de possuir uma estrutura fracamente polar no interior do anel. Como conseqüência, em solução aquosa as moléculas de água no interior do anel são fa- cilmente substituídas por moléculas apolares ou de menor polaridade que a água, formando estruturas que são energeticamente mais estáveis, e podem ser isoladas por cristalização ou secagem, (Shahidi & Pegg, 1991; Smith & Bell, 1986). Podem ser ainda citados outros agentes encapsulantes como lipossomas (de la Mazza et al., 1992; de la Mazza e Parra, 1994), lecitina de soja (Silva e Ré, 1996; Hardas et al., 2000), proteína de soro de leite (Rosenberg & Sheu, 1996). Pouco ou quase nada foi encontrado na literatura aberta a respeito de encap- sulação de corantes, particularmente com respeito às antocianinas. Alguns artigos se referem a uma melhora da estabilidade de pigmentos (Rayner, 1993; Wagner & Warthesen, 1995; The advantages of natural colors in food products, 1999; Humeau et al., 2000). O'Boyle et al., 1992 mostraram que β-ciclodextrina sozinha ou combi- nada com amido modificado (N-LokTM Goma arábica e maltodextrina D.E.'s 4 e 25 é eficaz na microencapsulação de Dinitrosil Ferrohemochromo (DNFH) aumentando o tempo de prateleira e a estabilidade à luz. Wagner & Warthesen (1995) encapsula- ram por secagem em spray dryer, carotenos com amido hidrolizado de DE's 4, 15 25 e 36,5 e observou que o amido de maior DE proporcionou uma maior retenção de α - e β-caroteno, aumentando o tempo de prateleira de 70 a 220 vezes comparado com o suco de cenoura seco em spray dryer. Selim et al. (2000) utilizaram a técnica de liofilização para encapsular carotenóide de açafrão utilizando Pullulan IP20 e dois tipos de PVP (polivinilpirrolidona) 40 e 360 como materiais de parede. O PVP 40 mostrou-se mais efetivo no aumento de estabilidade nas condições de estocagem estudadas. Revisão Bibliográfica 26 Dangles et al. (1992) relatam o efeito de anti-copigmentação da adição de β- ciclodextrina em antocianinas o que foi confirmado por Caramez (1999) que estudou a encapsulação de antocianinas de Hibiscus sabdriffa L. e mostrou que a β- ciclodextrina acelera a degradação de antocianinas em níveis consideráveis. 2.5 Qualidade do pó encapsulado A qualidade do encapsulamento é geralmente verificada através de micros- copia eletrônica de varredura (Rosenberg et al., 1985; Sankarikutty et al, 1988; O'Boyle et al., 1992; Islas et al., 1999; Hogan et al., 2001). A Figura 2.8 mostra mi- crografias eletrônicas de varredura de óleo de soja encapsulado por spray dryer utili- zando caseinato de sódio (Na Cas) e carboidratos com DE 28 feitas por Hogan et al. (2001). Na Figura 2.8 observam-se cápsulas de formato esférico, sem retrações ou quebras. A Figura 2.9 mostra micrografias feitas por Rosenberg, et al. (1985). Em 2.9a observamos cápsulas com fendas e retrações, na Figura 2.9b notamos apenas as retrações. Segundo O'Boyle et al. (1992) um revestimento funcional não deve ter poros quebras ou fendas, mas deve ser levemente murcha. A eficiência do encapsulamento pode ser também estudada através de cinéti- cas de degradação do encapsulado. Wagner & Warthesen (1995) estudaram a esta- bilidade de cápsulas de carotenos frente à luz e à temperatura; Selim et al. (2000) estudaram a degradação de carotenóides medindo a concentração ao longo do tem- po em atmosferas com diferentes atividades de água, à 35ºC. Outro método que pode ser aplicado à produtos encapsulados em forma de pó é o levantamento de isotermas de sorção de umidade, técnica geralmente utiliza- da para levantamento de características de produtos desidratados (Alves et al., 2000; Pena et al., 2000). Essa técnica foi aplicada por Ascheri (1999) no estudo das características de adsorção de água e estabilidade de microcápsulas de óleo essen- cial de laranja na seleção de material de parede. Revisão Bibliográfica 27 (a) (b) Figura 2.8 - Micrografias eletrônicas de óleo de soja encapsulado por atomização uti- lizando caseinato de sódio (Na Cas) e carboidratos com DE 28 feitas por Hogan et al.(2001). (a) (b) Figura 2.9 - Micrografias eletrônicas de metilantranilato feitas por Rosenberg et al. (1985). As isotermas de sorção representam graficamente a dependência da ativida- de de água com o conteúdo de umidade de matérias alimentícias a temperaturas e pressões definidas, e são normalmente determinadas experimentalmente. Elas po- dem ser de adsorção ou de dessorção, segundo a determinação da umidade do produto tenha sido feita ao longo de um processo de umidecimento ou de secagem. A relação existente entre a água e os outros componentes de um produto de- fine a sua higrocapacidade. Este comportamento é muito marcante nos produtos a- limentícios e torna-se uma característica fundamental pois influencia os processos de manuseio, processamento, estocagem e consumo de materiais biológicos (Labu- za, 1968) Através da construção de isotermas de sorção de umidade, pode-se resolver numerosos problemas de processamento e estocagem de alimentos e produtos ali- mentícios, entre os quais: predição de tempo de secagem, da vida de prateleira em uma determinada embalagem e dos requisitos básicos necessários para que se pos- retração quebra Revisão Bibliográfica 30 A equação de GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer) (Equação 2.20), tri- paramétrica, é um refinamento das teorias de BET e Langmuir e tem sido sugerida por muitos pesquisadores (Schãr & Rüegg, 1985; Ascheri, 1999; Prado et al., 1999; Pena et al., 2000). ( )( )www w m akCakak akC X X ...1.1 .. +−− = (2.20) onde C é a constante de Guggenheim: ( )       −= RT HH cC mlexp' c' = coeficiente de ordem um k é o fator de correção das propriedades das moléculas da multicamada com respeito ao volume de líquido: ( ) RTHHkk nl /exp' −= Hl = calor de condensação do vapor de água pura Hm = calor de sorção da primeira camada nos sítios primários Hn = calor de sorção das moléculas de água na multicamadas Este modelo fornece uma boa descrição para uma grande variedade de iso- termas de alimentos na faixa de atividade de água de 0 a 0,90. A determinação dos parâmetros da equação de GAB pode ser feita diretamente através de regressão não-linear. Materiais e Métodos 31 3 MATERIAIS E MÉTODOS Este item aborda uma explanação do procedimento para obtenção do corante em pó a partir do vegetal "in natura", e uma descrição dos métodos de análise utili- zados para atingir este objetivo, nas diferentes etapas do processo. 3.1 Fluxograma do processo de obtenção de antocianinas O repolho roxo "in natura", adquirido no mercado local foi lavado, picado e passado em centrifuga caseira (marca Walita, modelo RI 6728) para a obtenção do suco bruto. A seguir, este suco foi filtrado em funil de fundo sinterizado e centrifuga- Obtenção do suco bruto: desintegração do vegetal Separação da mistura Antocianina-Açúcares Processo de sorção Encapsulamento Secagem Matéria Prima: Repolho roxo Materiais e Métodos 32 do a 5000 rpm por 20 minutos, a 15ºC (Centrifuga Sigma 4K15) para a retirada de partículas em suspensão. Este material foi caracterizado segundo análises apresentadas no item 3.2.1 e o teor de antocianinas determinado através do método descrito no item 3.3. A purificação parcial do suco bruto, cujo objetivo foi a separação da mistura antocianinas-açúcares, consistiu em adsorver o corante sobre resina, lavar e des- sorver usando etanol 70% acidificado com 0,7% de ácido citrico. O teor de açúcares antes e depois do processo de sorção foi determinado pelo método do DNS, segun- do descrito no item 3.2.1.1. A determinação dos tempos e materiais mais adequado para este processo foi determinado por meio de cinéticas e isotermas de sorção, utilizando diferentes materiais, conforme explicado nos itens 3.4.1 e 3.4.2. O extrato parcialmente purificado foi concentrado em rotavapor a 40ºC (Giusti e Wrolstad, 1996 e Renault et al, 1997). A seguir diferentes emulsões dos diferentes materiais de parede foram adicionados a este concentrado (item 3.5.1), sendo se- guida de agitação, sob vácuo, em agitador magnético. A avaliação da encapsulação foi feita por miscroscopia ótica, no Laboratório de Abelhas do Departamento de Bio- logia (Beg). As emulsões assim preparadas foram atomizadas e secas em spray dryer (escala piloto, marca APV, modelo PSD 52) com capacidade de evaporação 9,3 Kg/h, na empresa 2 Rodas Industrial. As temperaturas de entrada e de saída do se- cador foram fixadas a 180 ± 5ºC e 80 ± 5ºC, respectivamente. As amostras obtidas foram pesadas e armazenadas em sacos plásticos. O material seco foi avaliado quanto à sua qualidade por meio de miscroscopia eletrônica de varredura (LabMat EMC-CTC), por isotermas de sorção de umidade (i- tem 3.6) e poder de coloração (Dantas, 2001c). 3.2 Matéria Prima - Caracterização do Extrato. Para caracterização do extrato de repolho roxo foram realizadas análises de acidez eletrométrica (pH), teor de sólidos solúveis (graus Brix), teor de açúcares re- dutores e pectinas segundo os métodos descritos abaixo. Estas medidas foram rea- lizadas juntamente com Dantas (2001). Materiais e Métodos 35 3.3 Avaliação do teor de corante A medida do teor de antocianinas nas amostras foi realizada em espectrofo- tômetro a comprimento de onda de 550 nm, a pH 3, condições estas adaptadas do método de Sondheime & Kertesz (1948) para as condições do presente trabalho. Es- ta concentração foi medida e expressa em mg de corante/100 ml de solução, tendo como referência a curva de calibração preparada com corante sintético Vermelho Congo. Para leitura, as amostras foram diluídas com água destilada e solução tam- pão de Mcllvaine (Moritta & Viegas 1995) quando necessário. As curvas padrões foram obtidas dissolvendo-se o corante vermelho congo em solução 0,01N de carbonato de cálcio (Na2CO3) para obtenção de uma solução 20 mg/100ml. Sucessivas diluições foram realizadas com carbonato de cálcio para obtenção das concentrações de 2,0, 1,0 e 0,5mg/100ml. As absorbâncias para estas soluções foram obtidas a 500nm, e uma regressão linear foi ajustada. Os valores dos coeficientes de correlação R2 para as curvas de calibração obtidos foram maio- res que 0,99. 3.4 Processo de Sorção A separação da mistura corante-açúcares presentes do suco de repolho roxo foi feita utilizando-se processos de sorção do corante sobre as resinas Amberlite XAD-7 e Sephadex LH-20, cujas características são descritas nas Tabelas 3.1 e 3.2. Tabela 3.1 - Características da resina Amberlite XAD-7 Propriedades Matriz Polimérica intercruzada alifática macroreticular Forma física Pérolas brancas translúcidas Embalagem 655g/l Peso específico 1,06 a1,08 Tamanho de partícula Tamanho médio harmônico 0,56-0,71mm Coeficiente de uniformidade ≤2,0 Finos <0,3000 mm:7,0% max Grossos >1,18 mm:8% max Área superficial ≥380m2/g Porosidade ≥0,50ml/ml Materiais e Métodos 36 Tabela 3.2 - Características da resina Sephadex LH20 Propriedades Limite exclusão 4-5kD (depende do solvente) Matriz Dextrana gel intercruzada hidroxipropilada Forma física Esférica, porosa Tamanho de partícula (seco) 18-111µm Diâmetro médio (seco) 70µm Escoamento máximo linear 720 cm/h Volume aproximado do leito (solvente água) 4,0 a 4,4 ml/g de pó seco O processo de sorção foi realizado em batelada e envolveu adsorção, lava- gem do líquido intersticial dos grãos de resina e dessorção. Os tempos necessários para atingir o equilíbrio foram determinados pelas cinéticas de sorção. Uma vez de- terminados esses tempos, procedeu-se à obtenção das isotermas. 3.4.1 Cinéticas de sorção de corantes sobre resinas 3.4.1.1 Adsorção Uma massa definida de adsorvente foi pesada em uma balança analítica com precisão 10-3 g. O adsorvente foi preparado por imersão em água destilada por um período de doze horas. Após esse período, a água foi escoada e a cada tubo de en- saio foram adicionados 4 ml de suco de repolho roxo de concentração pré- determinada. Os tubos foram agitados em vórtex e após intervalos de tempo regulares, as soluções foram filtradas e a concentração do corante determinada espectrofotome- tricamente (item 3.3). Os ensaios cinéticos foram realizados à temperatura ambiente. 3.4.1.2 Dessorção Para os testes de dessorção foi realizada uma adsorção prévia até a satura- ção da resina. Procedeu-se, então, à dessorção com solvente orgânico (álcool etílico acidificado com 0,7% de ácido cítrico), utilizando-se as mesmas condições ambien- tais descritas acima. Materiais e Métodos 37 3.4.2 Isotermas de sorção de corantes sobre resinas As isotermas de sorção foram obtidas pela mistura de diferentes massas de adsorvente em diferentes volumes de suco de repolho, afim de se obter variações da relação massa/volume. As isotermas de adsorção foram obtidas pela medida da concentração do co- rante após um tempo de contato suficientemente longo para que o sistema atingisse o equilíbrio, com posterior filtração das soluções. O tempo necessário para o sistema atingir o equilíbrio foi determinado a partir dos ensaios cinéticos descritos em 3.4.1. Do mesmo modo que para as cinéticas, as isotermas de dessorção foram realizadas após uma adsorção prévia até a saturação da resina. A dessorção foi e- laborada com solvente orgânico (álcool etílico acidificado a 0, 7%) e utilizando as mesmas condições ambientais descritas no parágrafo acima. 3.5 Encapsulamento Como agentes encapsulantes foram usados maltodextrina DE 30 (marca Lo- renz) e goma arábica, grau farmacêutico. 3.5.1 Preparação da emulsão encapsulante e preparação solução de corante en- capsulado Para obtenção da emulsão com corante, os materiais de parede estudados (quantidade definida na Tabela 3.3) foi previamente hidratado usando 50ml de solu- ção tampão (pH 3 e 5) e posteriormente misturado à solução de corante sendo agi- tado sob vácuo em agitador magnético por dois diferentes intervalos de tempo. 3.5.2 Observação da formação de cápsulas Para observação da formação de cápsulas foi utilizado um planejamento ex- perimental parcial, que é um conjunto de técnicas freqüentemente utilizadas em es- tudos de processos para investigações qualitativas ou quantitativas (Barros Neto et al, 1996). No processo de encapsulamento foram avaliadas 7 variáveis, cujos níveis codificados (- e +) estão apresentados na Tabela 3.3 juntamente com as respectivas siglas de cada fator. Um planejamento experimental parcial 2III 7-4 foi elaborado como mostra a Ta- bela 3.4. As geratrizes utilizadas foram I=GA.MD; I=GA.C; I=MD.C; I=GA.MD.C.A. Materiais e Métodos 40 Foram colocadas em dessecadores, contendo diferentes umidades relativas. Estes recipientes foram mantidos em estufa, à temperatura controlada de 30,0 ± 3,0 ºC. As amostras foram pesadas a cada 48 horas até atingirem peso constante. Foi observado visualmente o surgimento de qualquer alteração física nos pós em obser- vação. Os dados experimentais da isoterma de sorção forma ajustados, através de regressão não-linear para o modelo de GAB (Equação 2.9). 3.9 Poder de coloração O poder de coloração do pó encapsulado seco foi obtido por Dantas (2001c) através de diluição de 2g de amostra, constituídas de diferentes concentrações de material de parede (5%, 10%, 25% e 40% de maltodextrina, 40% de goma arábica e 40% de goma arábica+maltodextrina (1:1 p/p)) em balões volumétricos de 100ml. Soluções aquosas com 20,0 g.l-1foram obtidas. A absorbância destas soluções foram então lidas em espectrofotometro a 550nm. A concentração foi determinada confor- me item 3.3. A verificação da linearidade do aumento da concentração com o aumento da concentração de corante foi determinada usando-se o pó com 10% de Maltodextrina, a diluições do corante de 8, 10, 12 e 20g.l-1. Obteve-se uma reta com R2 = 0.9997. 3.10 Modelagem do processo de sorção Um modelo matemático, tendo como base o modelo de filme e poro foi utili- zado para descrever o processo de sorção. As hipóteses consideradas no presente modelo são: 1) As partículas são rígidas, homogêneas, de porosidade e tamanho uniformes e esféricas; 2) O coeficiente de difusão intraparticular é suposto constante e é dado por um Def; 3) A resistência externa do filme junto da partícula será considerada constante du- rante o processo, utilizando-se para isto um modelo convectivo de transferência de massa com a introdução de um coeficiente Kconv; 4) A fase líquida externa à partícula é uma mistura ideal (corante+solvente), de for- ma a se poder utilizar uma concentração global representativa da mesma; 5) As isotermas de sorção serão modeladas segundo Freundlich ou Langmuir con- forme o melhor ajuste aos pontos experimentais; Materiais e Métodos 41 6) A concentração do meio varia como uma função do tempo, sendo o potencial de transferência de massa na superfície da partícula um valor instantâneo. Fazendo um balanço de massa diferencial na partícula esférica, temos       ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ r C rr C D t q t C ii pef i d i p 2 2 2 ερε (3.2) onde: condição inicial: para t=0 ; Ci=0 , ∀ z Condições de contorno: No centro da partícula: r= 0 ; 0= ∂ ∂ r Ci ∀ t Na superfície: r=R ; ( )i ef convi CtC D K r C −= ∂ ∂ ∞ )( ∀ t onde: εp = porosidade da partícula; Ci = concentração de corante na fase liquida no interior dos poros da partícula (ML-3) ρd = densidade da partícula (M.L-3); qi = concentração de corante na fase sólida (M.M -1); Def = coeficiente de difusão efetivo (L 2.T-1); T = tempo (T); r = coordenada radial (L); R= raio da partícula (L); Kconv = coeficiente convectivo de transferência de massa (L.T -1); C∞(t) = concentração global na fase líquida externa à partícula no tempo (ML-3); O termo de consumo de corante utiliza isotermas de sorção, podendo ser descrita tanto por Freundlich como por Langmuir. a) Freundlich n ii kCq = k e n = constantes do modelo a serem ajustados aos dados experimentais; onde, Materiais e Métodos 42 t C knC t q in i i ∂ ∂ = ∂ ∂ −1 b) Lagmuir i io i bC bCq q + = 1 sendo qo = quantidade máxima adsorvida na fase sólida (M.M -1) e b 1 a cons- tante de equilíbrio; qo e b são também ajustados aos dados experimentais e t Ci bC bq t q i oi ∂ ∂ + = ∂ ∂ 2)1( ; Como os resultados experimentais de concentração na fase líquida fora da partícula, ao longo do tempo, são obtidos na forma de uma concentração média, o modelo deve expressar seus resultados segundo uma concentração média calcula- da a partir da integração dos perfis de concentração no interior da partícula, ( )tC . Para o modelo de Freundlich: ( )( ) ( ) drrtCtknC R CtC i R n idp 2 0 1 30 3 )( ∫ −∞ +−= ρε (3.3) Para o modelo de Langmuir: ( )( ) ( ) drrtC tCb bq R CtC i R i p 2 0 2 0 30 .1 3 )( ∫        + +−= ∞ ε (3.4) Onde ∞0C é a concentração global na fase externa à partícula no tempo t=0. Ou seja, a concentração média no tempo é dada pela diferença entre a concentra- ção inicial na fase líquida e a quantidade de corante adsorvida no tempo t. O Biot de massa relativo ao processo é definido por: ef conv D RK Bi = (3.5) As equações e condições que compõem o modelo foram resolvidas pelo mé- todo de diferenças finitas, observando-se critérios de unicidade de solução, conver- gência numérica e fechamento de balanço de massa. A implementação computacio- nal foi feita por Quadri (2001). Resultados e Discussão 45 a) Cinética de Adsorção A Figura 4.1 mostra as cinéticas de adsorção de extrato de repolho roxo so- bre resinas Amberlite XAD7 e Sephadex LH20. Pode-se observar que elas seguem um comportamento similar, com uma queda da concentração inicial de corante no sobrenadante nos primeiros minutos de contato, alcançando um pseudo equilíbrio em 30 minutos para a resina Sephadex LH-20. No caso de resina Amberlite XAD-7, este equilíbrio é alcançado em 60 minutos. Figura 4.1 - Cinética de adsorção de corante sobre Amberlite e Sephadex, com con- centração inicial de corante Co igual a 50mg de corante/100ml de solução b) Cinética de Dessorção A Figura 4.2 mostra que as duas resinas estudadas apresentam cinéticas de dessorção com etanol semelhantes. Observa-se que ocorre um grande aumento da concentração no sobrenadante nos primeiros 20 a 30 minutos, atingindo-se um pseudoequilíbrio em aproximadamente 30 minutos. C0 neste caso é a concentração inicial do extrato utilizado na adsorção prévia. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Tempo (min) C /C o Amberlite Sephadex Resultados e Discussão 46 Figura 4.2 - Cinéticas de dessorção do corante utilizando-se etanol acidificado como dessorvente. 4.1.2.2 Eficiência da separação de açúcares Durante os ensaios cinéticos, foram determinados os comportamentos das resinas Amberlite XAD7 e Sephadex LH20 em relação aos açúcares. Ao longo do tempo foram medidas as concentrações de açúcares na fase líquida (sobrenadante) durante a adsorção e a dessorção sobre as duas resinas. Na Figura 4.3 são apre- sentados os valores das concentrações de açúcares (g.l-1) durante o processo de adsorção e na Figura 4.4 são apresentados os valores das concentrações de açúca- res durante o processo de dessorção. Figura 4.3 - Concentração de açúcares na fase líquida durante as cinéticas de ad- sorção de corante sobre Amberlite XAD7 e Sephadex LH20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Tempo (min) C /C o Amberlite Sephadex 15 20 25 30 35 40 45 50 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Tempo (min) C ( g/ l) Sephadex Amberlite Resultados e Discussão 47 Figura 4.4 - Concentração de açúcares na fase líquida durante as cinéticas de des- sorção de corante sobre Amberlite XAD7 e Sephadex LH20 Na Figura 4.3 observa-se que durante a cinética de adsorção, há uma ten- dência inicial à diminuição da concentração de açúcares. Na realidade este compor- tamento parece ser aleatório e resultado das variações de medida no método, pois concentrações iguais no início da sorção são encontrados a tempos longos do pro- cesso. Durante a adsorção a concentração variou de 35 a 25g/l em ambas resinas. Na Figura 4.4 notamos que durante a dessorção sobre Sephadex a concentração variou de 0 a 0,5 g.l-1 e sobre Amberlite de 0 a 0,25 g.l-1. O corante comercial de re- polho roxo (Christian Hansen) possui 1,417 g.l-1 de açúcares redutores. Em nossos experimentos, a concentração máxima obtida após a separação foi de 0,5 g.l-1, um quantidade quase 70% menor de açúcares do que o corante comercial. Observou-se que o corante parcialmente purificado de açúcares apresentou uma vida de prateleira longa (em torno e 4 meses), não apresentando odores desa- gradáveis provenientes de compostos sulfurados (Guimarães et al., 1986) como ob- servado no suco bruto de repolho roxo. Embora este item não tenha sido especifi- camente analisado, a extração destes compostos pode ter sido feita juntamente com os açúcares. Além do mais, a dessorção foi feita em meio alcoólico (70%), o que preserva ainda mais o produto extraído. 4.1.2.3 Avaliação da capacidade de recuperação do corante Para completar o estudo da escolha entre as duas resinas (Sephadex LH20 e Amberlite XAD7) isotermas de adsorção e dessorção foram determinadas com o ob- 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Tempo (min) C ( g/ l) Amberlite Sephadex Resultados e Discussão 50 Tabela 4.2 - Parâmetros das Isotermas Linear e de Freundlich para adsorção e des- sorção com etanol acidificado Deste modo, tendo em vista que após cerca de 1hora ambas as resinas en- tram em um pseudo-equilíbrio, e que a Amberlite separa melhor o açúcar e recupera maior massa de corante, todo estudo de adsorção será feito sobre ela. Figura 4.6 - Isotermas de dessorção com água sobre as resinas Amberlite e Sephadex Resina Isoterma Adsorção Dessorção Adsorção Dessorção K (linear) 143,73 3,326 60,254 n 0,959 1,955 1,245 0,217 Kf 135,29 8,553 87,614 5,611 R^2 linear 0,9861 0,8317 0,938 R^2Freundlich 0,9825 0,8064 0,978 0,9217 Amberlite Sephadex 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 0 0,02 0,04 0,06 0,08 Ce (mg/ml) Q e (m g/ g) Amberlite Sephadex Resultados e Discussão 51 Figura 4.7- Isotermas de dessorção do corante com etanol sobre as resinas Amberli- te e Sephadex Figura 4.8 - Massa de corante recuperada após a purificação parcial em ambas as resinas 4.1.3 Determinação da entalpia de adsorção de corante sobre resina Amberlite XAD-7 Para determinar a entalpia de adsorção foram obtidas isotermas de adsorção à 39, 44, 47 e 50 ºC. Através da Figura 4.9 foram obtidos os valores da constante da Lei de Henry (K) (Equação 4.1), onde K é o valor da inclinação de cada isoterma li- near. Estes valores estão na Tabela 4.3. 0 1 2 3 4 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Ce (mg/ml) Q e (m g/ g) Sephadex Amberlite F. Sephadex F. Amberlite L. Amberlite 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 g de adsorvente/ml dessorvente m g co ra nt e de ss or vi do /m l d e de ss or ve nt e Amberlite Sephadex Resultados e Discussão 52 Figura 4.9 - Isotermas de adsorção de corante sobre resina Amberlite a diferentes temperaturas O ajuste da Equação de Clausius- Clapeyron (Equação 2.4) a estes resulta- dos fornece lnK =-24,074+8621,9/T, sendo R a constante dos gases ideais igual a 1,986 cal.mol-1K-1, obtém-se o valor de -17,13 kcal.mol-1 para a entalpia de adsorção, o que leva a crer que o corante apre- senta uma adsorção química sobre Amberlite XAD7. Outro fato que indica que seja uma quimissorção é que não ocorre dessorção com água, característica de adsorção física, com baixa energia de ligação. Para recuperar o corante é necessário que o solvente seja modificado, neste caso foi utilizado etanol acidificado. Tabela 4.3 - Valores dos parâmetros obtidos através da isoterma linear de adsorção para as diferentes temperaturas Temperatura K 39 36,219 44 23,500 47 13,567 50 15,951 0 1 2 3 4 5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Ce mg corante/ml solução Q e m g co ra nt e/ g ad so rv en te 39 44 47 50 ajuste 39 ajuste 44 ajuste 47 ajuste 50 Resultados e Discussão 55 XAD7, aos quais foram aplicados dois modelos de pseudo-cinética de quimissorção e um modelo de difusão intraparticular. A obtenção dos valores da massa adsorvida usadas nas equações que des- crevem a quimissorção, q1,q2 em t=∞, foram obtidos da própria cinética, consideran- do o valor encontrado experimentalmente em t∞ = 1260 min. Pode-se ver que a massa de corante adsorvida diminui de um valor máximo de 4,60 a 0,326 mg.g-1 com a diminuição da concentração inicial de 40,05 a 2,15mg/100ml. Figura 4.12 - Cinéticas de adsorção de corante a diferentes concentrações iniciais de corante As Tabelas 4.5 a 4.7 mostram os valores calculados para as constantes das taxas k1, k2 e ki, respectivamente, através da linearização das Equações 2.14, 2.17 e 2.18. Em todos os casos, a boa qualidade das retas obtidas é dada pelo coeficiente de correlação R. Nestas tabelas também podem ser vistos os valores das massas adsorvidas em t∞ obtidos experimentalmente, q∞exp e as constantes das taxas. Tabela 4.5 - Parâmetros do modelo de pseudo primeira ordem C (mg/100ml) q∞exp k1(min-1) R1 2,15 0,3260 -0,0016 4,81 0,6751 0,0033 0.8672 9,88 1,0843 0,0140 0,7501 40,05 4,6028 0,0150 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Tempo (min) q (m g co ra nt e/ g ad so rv en te ) 2,15 4,81 9,88 40,05 Resultados e Discussão 56 Tabela 4.6 - Parâmetros do modelo de pseudo segunda ordem C (mg/100ml) q∞exp k2 (g mg-1 min-1) R2 2,15 0,3260 0.0495 0,9918 4,81 0,6751 0,0303 0,9957 9,88 1,0843 0,0697 0,9967 40,05 4,6028 0,0045 0,9971 Tabela 4.7 - Parâmetro difusão intraparticular C (mg/100ml) ki (mg g-1 min -0,5) Ri 2,15 0,0122 0,6874 4,81 0,0258 0,5822 9,88 0,0502 40,05 0,1791 0,7457 Quando obriga-se que q1 seja igual ao valor de q∞exp a equação resultante do ajuste de k é completamente diferente da curva experimental encontrada, esse fato explica porque os valores de R para as concentrações de 2,15 e 40,05mg/100ml não são apresentados Tabela 4.5. Pode-se observar, destas tabelas, que uma taxa de quimissorção de pseudo- segunda ordem é a que melhor descreve os resultados apresentados: os valores de R encontrados foram maiores que 0,99. Este comportamento pode ser visto na Figu- ra 4.13, que ilustra os resultados linearizados obtidos. Resultados e Discussão 57 Figura 4.13 - Modelo cinético linearizado de pseudo-segunda ordem a diferentes concentrações iniciais de corante de repolho roxo t (min) t/q ( m in g m g- 1) -500 500 1500 2500 3500 4500 200 400 600 800 1000 1200 2.15 4.81 9.88 40.05 Resultados e Discussão 60 4.2.2 Avaliação da qualidade do pó obtido Misturas de corante-material de parede (MD, GA) nas concentrações de 5, 10, 25 e 40 % p/p de maltodextrina e 40% p/p de goma arábica foram secas em ‘s- pray dryer’ à temperaturas de entrada de 180ºC e de 80ºC na saída do secador (item 3.6) Este produto foi testado quanto à sua qualidade em temos de estabilidade à umidade ambiente, através de micrografia eletrônica de varredura, e frente ao poder de coloração do pó obtido. 4.2.2.1 Avaliação da estrutura física da antocianina em pó A observação por microscopia eletrônica de varredura tem por objetivo dar indicação do grau de integridade de uma microcápsula, o que está diretamente rela- cionado à sua eficiência de retenção do encapsulado. A título de ilustração fotografi- as das microcápsulas produzidas a partir da secagem por atomização das emulsões com 40% de GA e com 10% MD são apresentadas nas Figuras 4.15 e 4.16 respecti- vamente. As Figuras 4.15 (a e b) apresentam formas retraídas (murchas) e algumas quebras. As Figuras 4.16 (a e b) apresentam estruturas esféricas sem retrações mas com algumas quebras. Silva e Ré (1996) obtiveram estruturas semelhantes às Figu- ras 4.15 (a e b) no encapsulamento de eugenol com MD, alginato de sódio e lecitina de soja como material de parede. Eles atribuíram essa forma retraída à variação de pressão interna quando da saída do vapor d' água durante a secagem. Islas et al. (1999) obtiveram estruturas murchas no encapsulamento de ração para animais (feedstuff) com MD, e com GA. Um revestimento funcional não deve ter poros nem quebras, mas deve ser le- vemente murcho (O'Boyle et al., 1992). Segundo Sheu e Rosenberg (1998) superfí- cies sem amassados são mais frequentes em partículas pequenas do que em partí- culas maiores. Isto pode ser atribuído ao efeito da taxa de secagem. Altas taxas de secagem estão associadas à partículas pequenas, devido à secagem rápida da pa- rede e portanto não ocorrendo murchamento. Resultados e Discussão 61 (a) (b) Figura 4.15 - Microcápsulas obtidas em spray dryer a partir das emulsão com 40% de GA. (a) aumento de 2000x; (b) aumento de 477x. retração quebras Resultados e Discussão 62 (a) (b) Figura 4.16- Microcápsulas obtidas em spray dryer a partir das emulsão com 10% de MD. (a) e (b) aumento de 1400x. quebra Resultados e Discussão 65 Tabela 4.10 - Coeficientes da equação de GAB ajustados para as isotermas de ad- sorção dos pós secos com duas concentrações de maltodextrina (MD) Xm C k 10%MD 0,071 7,285 0,972 40%MD 0,049 163,428 0,996 Figura 4.18 - Comparação entre as isotermas de sorção de corante com 10 e 40% de MD secas em spray dryer ajustadas por GAB. c) Efeito do tipo de material de parede sobre a higrocapacidade do pó. O terceiro teste visa comparar o efeito de dois materiais de parede, GA e MD sobre a higrocapacidade do pó. Para este teste foram usados corante com 40% p/p de GA e com 40% p/p de MD preparados e secos conforme item 3.1. Isotermas de sorção de umidade são mostradas na Figura 4.19. Na Tabela 4.11 pode-se notar que o conteúdo de umidade da monocamada (Xm) é um pouco maior para a isoterma do pó preparado com GA do que para a iso- terma do pó com MD. C para a GA é muito menor que para MD nestas concentra- ções, tendo um valor similar aos demais experimentos. A Figura 4.19 mostra que para atividades de água (aw) até cerca de 0,8, são quase coincidentes. Somente para valores de aw superiores a 0,8 nota-se maior do pó com maltodextrina. aw X ( gá gu a/ gs s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 10% MD 40%MD Resultados e Discussão 66 Figura 4.19 - Comparação entre as isotermas de sorção de corante com 40% de GA e 40% de MD secas em spray dryer ajustadas por GAB. Como nos casos anteriores, o fator de correção, k, não sofre variações signi- ficativas nos diversos experimentos. Tabela 4.11 - Coeficientes da equação de GAB ajustados para as isotermas de ad- sorção dos pós secos com dois material de parede diferentes (GA e MD) Xm C k 40%MD 0,049 163,428 0,996 40%GA 0,055 8,489 0,958 MD: maltodextrina GA: goma arábica Resumindo, pode-se concluir que o processo de secagem por atomização aumenta a capacidade de retenção de água de um pó, e que um teor de corante maior na mistura produz um pó mais higrocapaz. A GA se mostrou um produto me- nos suscetível a atuações do ambiente, uma vez que a altas umidades relativas a- presenta teores de umidade mais baixos que a MD. 4.2.2.3 Poder de coloração A Figura 4.20 e a Tabela 4.12 apresentam os resultados do poder de colora- ção obtidos por Dantas (2001c) para soluções de 20g.l-1 das várias formulações de corante-material de parede aw X ( gá gu a/ gs s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 40%MD 40%GA Resultados e Discussão 67 a) Efeito da concentração de maltodextrina no poder de coloração A Figura 4.20 apresenta o efeito da concentração de maltodextrina no poder de coloração. O aumento da concentração de MD faz com que o poder de coloração diminua da seguinte forma: C = 39,267e-0,0774[MD], com R2 = 0,9967 (4.2) onde [MD] é a concentração de maltodextrina e C é a concentração obtida de corante. A maltodextrina atua como um diluente sólido, com um efeito marcante quan- do a antocianina encontra-se quase pura. Este efeito diminui de forma exponencial, à medida que a concentração de antocianina diminui. Figura 4.20 - Concentração de uma solução 20g.l-1 de antocianina seca com diferen- tes teores de MD. b) Efeito do tipo de material de parede no poder de coloração A Tabela 4.12 apresenta as concentrações obtidas pela diluição de 20g.l-1 de pós secos (com antocianinas) com 40% p/p de material de parede. Observa-se que a adição de goma arábica aumenta em 2 vezes o poder co- rante quando combinada com maltodextrina e 4 vezes quando pura. Porém durante os experimentos notou-se que esse aumento pode ser devido ao aumento da turbi- dez observada em soluções contendo goma arábica. O'Boyle et al. (1992) haviam observado que a goma arábica utilizada como único agente encapsulante não é a- 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Concentração de MD (%) C ( m g/ L) Conclusões 70 lantes visando aumentar a estabilidade do corante durante o armazenamento. Para tanto, utilizou-se maltodextrina (MD) e goma arábica (GA). Ao aplicar o processo de encapsulação, notou-se que apenas a goma arábica forma cápsulas, sendo que a MD atua apenas como veículo. Após a secagem, ob- servou-se através de microfotografias que os pós obtidos correspondem àqueles en- contrados por outros autores na literatura, sendo que as esferas de Ga são de me- lhor qualidade que as de MD. No entanto, a GA interfere na pureza da cor, escure- cendo-a e turvando a solução, enquanto a MD apenas dilui a cor rosa. Esta diluição, sendo pronunciada, afeta significantemente o poder de coloração da antocianina, comparativamente ao corante puro, e segue uma curva exponencial. A secagem por atomização modifica a higrocapacidade da maltodextrina e a quantidade de material de parede influencia na higrocapacidade, a qual diminui com o aumento de concentração de material de parede. Observou-se que a GA produz um pó menos susceptível ao ambiente que a MD, quando em presença de umidades relativas altas. Sugestões 71 6 SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS Estudar novas fontes de corante antociânico, aproveitando resíduos agro- industriais. Realizar estudos de purificação do corante utilizando materiais de baixo custo como adsorventes. Realizar um estudo da estabilidade do corante antociânico em pó, frente à luz, ao oxigênio e à temperatura. Estudar novos métodos de determinação do poder de coloração, levando em conta o aumento da turbidez. Estudar aplicações do corante em pó e sua estabilidade no produto final. Estudar a viabilidade econômica da produção do corante em pó a partir de repolho roxo. Referências Bibliográficas 72 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ALVES, R. M. V.; MILANEZ, C. R.; PADULA, M. Embalagens alternativas para café solúvel, Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 20, n. 2, 2000. 2. ANANDARAMAN, S.; REINECCIUS, G. A. Microencapsulation of flavour. 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