Microcápsulas Uma alternativa viável

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1 Novas Tecnologias Microcápsulas Uma alternativa viável Microencapsulação de produtos sensíveis a oxidação: óleoresina de páprica Andréa Barbosa Santos Doutoranda em Tecnologia de Alimentos aplicada a Nutrição, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Unicamp Vera Pupo Ferreira Consultora em Controle de Qualidade Cooperativa de Assessores para a Agroindústria, Campinas Carlos R.F. Grosso Professor de Controle de Qualidade, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Unicamp grosso@fea.unicamp.br Fotos cedidas pelos autores icroencapsulação é a tecnologia de empacotamento que,com finas camadas poliméricas aplicáveis em sólidos, gotículas de líquido ou material gasoso, formam partículas denominadas microcápsulas, que podem liberar seu conteúdo sob velocidade e condições específicas (Sparks, 1981). Microencapsulação envolve controle da difusão, identificação de material de cobertura adequado e o processo de sua fabricação. O tipo, a porosidade e o tamanho das microcápsulas podem ser variados para acomodar muitos produtos. A porosidade pode ser variada em uma ampla faixa de magnitude para reter moléculas pequenas como glicose (180 D) ou permitir o fluxo controlado de moléculas grandes como imunoglobulinas ( D). A encapsulação foi empregada primeiramente na área farmacêutica, com a técnica denominada pan coating, para obtenção de partículas maiores que 600 mm. Posteriormente, flavors foram encapsulados em goma arábica, mas a obtenção de um produto bem sucedido ocorreu mesmo foi na década de 50, quando cápsulas contendo um agente corante foram impregnadas em papel para a substituição do papel carbono. O sucesso do desenvolvimento estimulou as pesquisas na área e gerou grande número de aplicações para as microcápsulas. As principais incluem produtos relacionados com a reprodução de imagem: impressão térmica, toners para fotocópias; produtos agroquímicos: herbicidas, repelentes e pesticidas; produtos farmacêuticos 26 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento Figura 1. Tipos de distribuição usualmente encontrada em microcápsulas para consumo oral ou injetáveis; cosméticos; ingredientes alimentícios; adesivos; agentes de cura e encapsulação de células vivas, incluindo enzimas e microorganismos. O encapsulante ideal deve ter baixa viscosidade em concentrações elevadas e ser de fácil manipulação durante o processo; ter baixa higroscopicidade, para facilitar a manipulação e evitar aglomeração, posicionando o conteúdo das microcápsulas mais uniformemente distribuídos em uma mistura e transformar líquidos em sólidos para uso em sistemas sêcos, deve ter habilidade para dispersar ou emulsificar e estabilizar o ingrediente ativo; não ser reativo com o material a ser encapsulado; deve ainda ter habilidade de selar e segurar o material ativo dentro da estrutura da cápsula; liberar completamente o solvente ou outros materiais utilizados durante o processo de encapsulação; proporcionar máxima proteção ao material ativo contra condições adversas como luz, ph, oxigênio e ingredientes reativos; ter solubilidade em solventes comumente utilizados; possuir as propriedades desejadas de liberação do material ativo; não possuir sabor desgradável, no caso de consumo oral e finalmente ser ecônomico. (Shahidi & Han, 1993). A capacidade de retenção está associada principalmente ao estado físico do encapsulante e às suas caracteristicas físicoquímicas como peso molecular, conformação molecular e funcionalidade química (Whorton e Reineccius, 1995). Polímeros lipossolúveis são utilizados para microencapsular um conteúdo hidrossolúvel e viceversa, conceito fundamental no desenho de cápsulas de liberação controlada ou cápsulas desenvolvidas para a liberação em locais específicos para recheios com atividades farmacológicas. Os materiais mais utilizados como encapsulantes incluem (Shahidi e Han, 1993): gomas: goma arábica, alginato de sódio, carragena; carboidratos: amido, dextrinas, acúcar, xarope de milho; celuloses: carboximetilcelulose, etilcelulose, metilcelulose, acetilcelulose, nitrocelulose; lipídeos: cera, parafina, triestearina, ácido esteárico, monoglicerídeos e diglicerídeos, óleos e gorduras hidrogenados; proteínas: glúten, caseina, gelatina e albumina, e algumas fontes alternativas recentes como a quitosana extraída da casca de crustáceos e as proteínas do soro de leite. Além dos parâmetros inerentes ao processo de encapsulação, a retenção do agente ativo nas cápsulas é governada por fatores relacionados à natureza química do recheio, incluindo o peso molecular, a funcionalidade química, a polaridade, a volatilidade relativa e a sua difusividade (Chang et al. 1988). As técnicas utilizadas para micro

2 Tabela 1. Estabilidade frente à Temperatura. Valores de a (colorímetro Hunter) para temperaturas de freezer ( ), ambiente ( ), e estufa a 50 C ( ). Dias de Exposição Microcápsulas de Amido ÓleoResina livre Microcápsulas de Goma Arábica 6,33 6,33 6,33 6,85 6,85 6,85 9,05 9,05 9,05 6,17 6,10 4,14 5,61 6,29 6,27 6,48 6,73 6,48 8,91 6,27 6,78 6,29 1,14 7,26 6,81 6,07 7,25 4,84 9,05 9,22 4,66 6,35 6,09 0,33 4,10 5,24 0,48 7,91 5,87 1,69 7,41 8,35 3,06 6,85 1,18 7,83 6,25 2,16 7,67 7,41 0,70 7,37 2,10 encapsulação de ingredientes/princípios ativos podem ser divididas em métodos físicos: spray drying ( tamanho médio de partículas 5500 mm), pulverização em banho térmico, leito fluidizado, extrusão centrífuga com múltiplos orifícios, cocristalização, liofilização, métodos químicos: inclusão molecular, polimerização interfacial; métodos físicoquímicos: coacervação, separação por fase orgânica, pulverização em agente formador de reticulação, envolvimento lipossômico (Jackson e Lee, 1991). De acordo com seu tamanho, as cápsulas são classificadas em nanopartículas, micropartículas e macropartículas, variando de 0 a 1 mm, de 1 a 100 mm e acima de 100 mm, respectivamente. As cápsulas formadas podem ser encontradas geralmente na forma de uma membrana contínua ou porosa contendo somente um núcleo ou contendo múltiplos núcleos envolvidos por uma membrana (Figura 1). A secagem por atomização (spray Figura 2. Morfologia típica de microcápsulas: a. microcápsulas de amido/ gelatina; b. microcápsulas de goma arábica; c. parede da microcápsula de goma arábica; d. microcápsula de amido fragmentada drying) é a técnica mais comumente empregada para a obtenção das microcápsulas, sendo as variáveis do processo: temperaturas do ar de entrada e de saída, fluxo de ar ou do fluído de arraste, distribuição de temperatura e umidade, tempo de residência e geometria da câmara. A rápida evaporação mantém a temperatura das gotículas relativamente baixa, podendose assim aplicar altas temperaturas no ar de secagem sem afetar o produto final (Filková e Mujundar, 1995). As principais vantagens do processo incluem: as propriedades e a qualidade do produto são mais eficientemente controladas; possibilidade de utilizar produtos sensíveis ao calor; produtos biológicos e farmacêuticos podem ser secos a pressão atomosférica e baixas temperaturas; possibilidade de grandes produções em operação contínua com equipamento simples; produzir partículas relativamente uniformes e esféricas; boa eficiência e baixo custo do processo. As principais propriedades das microcápsulas que devem ser consideradas em sua caracterização, e as técnicas utilizadas para esse propósito são: estrutura geral, externa e interna (microscopia óptica e eletrônica); estrutura fina Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento 27

3 ( raio X e análise térmica; tamanho e distribuição do tamanho das partículas ( microscopia eletrônica e analisador de tamanho de partículas); composição da casca e recheio ( análise térmica, química, cromatografia e espectroscopia); rendimento e atividade do encapsulado; comportamento de liberação (mudanças de peso, cromatografia e espectroscopia; propriedades físicas (compressão estática, resistência ao cisalhamento, mobilidade eletroforética); comportamento de liberação in vitro e estabilidade dependente das condições intrínsecas da cápsula e das utilizadas para estocagem. A liberação do conteúdo das microcápsulas pode ocorre através da ruptura mecânica, da ação da temperatura, pela ação do ph, pela solubilidade no meio, através da biodegradação e também por difusão (Whorton, 1995). A difusão é regida por um gradiente de concentração e de forças atrativas intermoleculares, controlada pela solubilidade do componente encapsulado na matriz e pela sua permeabilidade através da matriz (Reineccius, 1995). Outro fator que influenciará a difusão de um soluto é o grau de entumescimento da cápsula que pode ser causado pela adsorção de água ou outro solvente provocando o aumento dos poros e dos espaços livres (Karel e Buera, 1994). Não existe um único tipo de curva de liberação que satisfaça todas as necessidades e além disso, os dados de liberação reais tendem a se desviar das curvas de liberação pretendidas. Quatro modelos teóricos de curva de liberação podem ser definidos. O primeiro considera a existência de um mecanismo de disparo, que inicia a liberação. Outros fatores, entretanto, podem ser responsáveis por este disparo, tais como calor, luz, ph e degradações químicas da cápsula. O segundo mecânismo assume que a parede da cápsula atua como um reservatório, supondose que a taxa de liberação seja constante. O terceiro modelo pressupõe a migração através da parede, mas considera um efeito adicional de liberação ocasionado por pequenos rompimentos na estrutura da cápsula. O quarto modelo considera a parede como uma membrana semipermeável e seletiva a diferentes pesos moleculares (Thies, 1995). Na indústria de alimentos, microcápsulas que contêm compostos voláteis responsáveis pelo implemento do aroma e sabor, corantes, acidulantes, enzimas, microorganismos probióticos e agentes antifúngicos têm sido empregados. Entre eles, os corantes são muito sensíveis à oxidação, que se reflete em perda ou alteração da cor original em geral provocada por fatores como luz, oxigênio e temperatura, diminuindo sua vida útil. O aparecimento progressivo de restrições na utilização de corantes artificiais devido a problemas toxicológicos e/ou alérgicos favorece o desenho de novas formas de proteção aos produtos naturais. O objetivo deste trabalho foi avaliar dois materiais de cobertura, microcápsulas porosas de amido de arroz/ gelatina e cápsulas de goma arábica encapsulando óleoresina de páprica comercial obtidas através da secagem por atomização, quanto à estabilidade, à luz e à temperatura, na presença de oxigênio. A páprica é conhecida como o tempero proveniente do pimentão vermelho doce (Capsicum annum) e contém de 37 a 54 pigmentos, sendo os mais importantes a capxantina e a capsorubina. É comercializada na forma de pó ou óleoresina ambos, de coloração vermelha intensa ou amarela característica da classe de pigmentos da qual fazem parte (Biacs, et al., 1989). Cápsulas com 30% de sólidos totais e 15% de óleoresina em relação Tabela 2. Estabilidade frente à Luz. Valores de a (colorímetro Hunter) para exposição à luz (L), e isentos à luz (E). Dias de Exposição Microcápsulas de Amido ÓleoResina Livre Microcápsulas de Goma Arábica L E L E L E 6,33 5,77 2,17 0,76 0,21 0,21 0,50 0,66 0,39 0,34 0,38 0,38 0,31 0,38 0,69 6,33 5,66 4,24 4,84 4,55 3,98 5,40 5,18 2,09 3,31 1,93 1,26 0,26 0,39 0,71 6,85 6,84 6,94 7,51 8,69 5,05 6,05 1,70 1,04 0,63 0,65 0,41 0,35 0,40 0,45 0,40 0,40 0,38 0,46 0,70 0,70 6,85 8,57 8,33 8,08 6,29 5,23 4,51 4,32 5,50 4,47 4,72 5,35 5,99 5,47 5,30 4,74 4,27 4,88 5,77 4,50 3,95 9,05 6,73 6,56 5,54 2,22 1,62 1,17 1,95 2,09 1,43 9,05 7,90 7,27 8,37 7,09 7,30 7,21 7,56 5,04 28 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento

4 ao total de sólidos foram obtidas por spray drying (SD04, LabPlant), seguindo procedimento adotado por Zhao e Wistler (1994), e Rosenberg et al. (1990). As cápsulas foram caracterizadas morfologicamente através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e mensuradas quanto ao tamanho médio. A extração dos pigmentos foi feita em álcool etílico em ultra som/5 min. e a quantificação, feita através de curvapadrão da óleoresina livre. A cor dos extratos foi avaliada pelo parâmetro a em colorímetro Hunter. Estabilidade à luz (iluminação controlada e ambiente escuro) e a temperatura (freezer, ambiente e 50 o C) do material encapsulado e livre foram efetuados em relação ao tempo de exposição. As microcápsulas foram adicionadas a um sistema simples (gelatina incolor) basicamente aquoso, e a um sistema complexo (formulação de bolo) para avaliação de funcionalidade. A avaliação sensorial foi realizada por teste de preferência em relação a formulações de gelatina e bolo isentas das microcápsulas. O rendimento do processo de encapsulação em relação a retenção da óleoresina foi determinado obtendose valores próximos a 100% para cápsulas de goma arábica e em torno de 89% quando grânulos de amido foram produzidos. A Figura 2 (a, b, c e d) permite observar a morfologia típica das microcápsulas, ambas com distribuição de tamanho unimodal. Cobertura de goma arábica fornece cápsulas com parede contínua, sem fissuras, com a presença de depressões típicas desse material, seco por atomização, com alguma variação de tamanho entre as mesmas, sendo o tamanho médio igual a 16,0 mm. Paredes contínuas são desejáveis no aumento da proteção contra a oxidação, e a solubilidade aquosa pode indicar várias utilizações de aplicação da goma como material de cobertura. A Figura 2c apresenta um corte na cápsula, o que permite identificar a espessura da parede e especialmente a localização e distribuição uniforme do recheio na parede com relação à cápsula que contém goma arábica. As cápsulas porosas de amido (Fig. 2b), cimentadas pela gelatina no processo de secagem, também são esféricas, com tamanho médio de 20,3 Figura 3. Testes de Aplicação: a. Sistema simples (gelatina) b. Sistema complexo (bolo) mm, formando uma matriz cheia de interstícios, por onde o oxigênio do ar pode penetrar. O grau esperado de proteção à oxidação para esse tipo de matriz é baixo, uma vez que a superfície não é contínua e, portanto, não existe uma barreira definida. Ao se fragmentar a cápsula de amido, observase (Fig. 2d) que não existe uma verdadeira parede e sim uma aglomeração contínua ao longo do volume da microcápsula. Sendo insolúvel em água e muito porosa, poderá se prestar a liberações mais rápidas, dependendo da interação cobertura/recheio, em sistemas não aquosos. Nesse caso, a escolha de recheios mais inertes é fundamental. Uma cobertura adicional pode ser necessária para tornar a cápsula protetora. As observações sobre as características morfológicas principalmente com relação à presença de uma parede contínua e de uma totalmente porosa sobre a capacidade de funcionarem como barreira protetora foram reforçadas pelos resultados dos ensaios de estabilidade frente a luz e temperatura. (Tabelas 1 e 2). A influência da luz quando a óleoresina foi encapsulada em grânulos de amido mostrou perda mais acentuada de cor na cápsula em relação à óleoresina livre. Mesmo no escuro, as cápsulas apresentaram uma cinética mais acentuada de perda. A hipótese mais provável é que a óleoresina na cápsula de amido apresente uma maior superfície de contato com o oxigênio do ar em relação à óleoresina livre, exibindo assim perda mais rápida da cor. Microcápsulas de amido mantidas isentas de luz apresentaram redução de 50% da cor inicial em 24 dias de estocagem a temperatura ambiente, enquanto cápsulas expostas à luz apresentaram a mesma redução em apenas seis dias de ensaio, indicando a inadequação do material para o fim desejado. A perda de 50% da cor inicial ocorre em um tempo mais longo para a cápsula que contém goma arábica, a qual requereu 20 dias em presença de luz e 44 dias quando o experimento foi conduzido na ausência de luz, indicando maior grau de proteção. Em qualquer das situações, a perda de cor é mais acentuada na presença de luz, indicando que mesmo a óleoresina encapsulada deve ser estocada em ambiente protegido de luz. Adicionalmente, cápsulas contendo a mesma concentração do agente de cor apresentaram valores iniciais de a maiores quando a goma arábica foi utilizada, embora a medida desse parâmetro somente para a goma arábica fosse muito baixo e semelhante ao obtido para a microcápsula de amido, isenta de recheio. A maior proteção das microcápsulas fabricadas com goma arábica em relação à óleoresina livre também é observada a altas temperaturas. Para o período estudado a temperatura de Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento 29

5 freezer e a temperatura ambiente, as perdas foram mínimas para os materiais de cobertura e para a óleoresina livre. Aumentandose a temperatura para 50 o C, como esperado, aumentou a velocidade de perda da cor, mesmo na óleoresina encapsulada. Resultados observados para grânulos de amido em relação à óleoresina pura indicaram maiores perdas para o sistema encapsulado. Os estudos de estabilidade indicaram maior proteção para as microcápsulas construídas com goma arábica. Para os dois materiais de cobertura utilizados, observouse efeito mais acentuado da temperatura em relação ao efeito da luz. A cápsula de amido/ gelatina, pela sua porosidade, não oferece adequada proteção a compostos sensíveis a oxidação por luz ou temperatura. Apesar de oferecer uma boa proteção frente a esses fatores, a goma arábica é permeável ao oxigênio contido no ar, o que também pode levar a perda de cor durante a estocagem. Essa observação é reforçada por estudos anteriores, nos quais foram utilizados a goma arábica como material encapsulante e alguns óleos essenciais (Bertolini, 1999), que apesar de propiciarem uma alta porcentagem de retenção, foram observadas perdas por oxidação devido ao oxigênio durante a estocagem. A aplicacão das microcápsulas recémfabricadas em sistemas simples e complexos são apresentadas na Figura 3 (a,b). No sistema aquoso simples contendo somente gelatina, microcápsulas preparadas com a mesma quantidade de óleoresina produziram resultados diferentes, dependendo do material de cobertura utilizado. Assim, cápsulas preparadas com goma arábica dissolveram completamente sem deposição e apresentaram intensidade de cor muito mais acentuada que as cápsulas preparadas com os grânulos de amido, que, adicionalmente, apresentaram algum depósito devido à insolubilidade do amido ainda parcialmente na forma nativa. A formulação mais complexa contendo lipídeos, proteínas e carboidratos mostrou bons resultados para os dois tipos de cápsulas contendo a mesma concentração da óleoresina em relação à formulação isenta de corante. A distribuição da cor no produto foi homogênea, não se observam pontos de cor isolados 30 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento que indicariam grumos ou dificuldade de dissolução, e uma cor final levemente mais acentuada para a formulação contendo microcápsulas de óleoresina em goma arábica. Com relação à avaliação sensorial, a formulação mais complexa apresentou bom nível de aceitação com valores entre 7 e 8 em escala hedônica de 9 pontos. A avaliação visual foi ligeiramente melhor para a formulação contendo cápsulas de amido enquanto a avaliação pósingestão foi melhor para a formulação contendo cápsulas de goma arábica. Somente 30% dos provadores conseguiu observar ligeira diferença de cor entre as formulações que continham os encapsulados. No caso do sistema mais simples, a aceitação visual foi melhor para a formulação contendo goma arábica seguida pelo padrão e finalmente pela formulação contendo amido. Os resultados apresentados acima mostram um pequeno exemplo da utilização de microencapsulados. Embora muitos trabalhos venham sendo desenvolvidos, poucos produtos têm plena utilização comercial. A potencialidade dessa linha de produtos é enorme e requer muitos esforços, tanto no entendimento básico das interações, características físicoquímicas dos materiais de cobertura, mecanismos e cinética de liberação, testes in vitro e in vivo de toxicidade, vida útil e otimização de processos. As áreas de alimentos, a farmacêutica, a de cosméticos e a de herbicidas certamente serão bastante beneficiadas com os avanços na área dos microencapsulados. Referências Bibliográficas Bertolini, A.C. Estabilidade de óleo essencial de laranja, linalool e citral microencapsulados em goma arábica por atomização. 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