CINÉTICA DE ADSORÇÃO DE ÁGUA DE MICROCÁPSULA DE LEITE DE CABRA CONTENDO

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1 CINÉTICA DE ADSORÇÃO DE ÁGUA DE MICROCÁPSULA DE LEITE DE CABRA CONTENDO Bifidobacterium BB-12: DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL E AVALIAÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO DE PELEG S. Verruck 1*, B. M. Maran 2, S. G. Garcia 2, C. O. Müller 1, E.S. Prudencio 1,2 1-Departamento de Ciência e Tecnologia de Alimentos Universidade Federal de Santa Catarina, Rod. Admar Gonzaga, 1346, Itacorubi CEP , Florianópolis SC Brasil, Telefone: (55-48) Fax: (55-48) silvani.verruck@gmail.com 2-Departamento de Engenharia Química e de Alimentos Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Reitor João David Ferreira Lima CEP: Florianópolis SC Brasil, Telefone: (55-48) Fax: (55-48) silvani.verruck@gmail.com RESUMO A avaliação das cinéticas de sorção de água de microcápsulas produzidas com leite de cabra integral em pó é uma abordagem completamente inovadora para a área. Sendo assim, o objetivo deste estudo foi avaliar a cinética de adsorção de umidade da microcápsula de Bifidobacterium BB-12 produzida com leite de cabra integral como agente encapsulante, bem como ajustar o modelo de Peleg aos dados experimentais. A utilização de leite de cabra como agente protetor de Bifidobacterium BB- 12 se mostrou eficiente após o processo de secagem por spray drying. As curvas de cinética mostraram uma tendência a adsorver mais água no início do processo e depois entrar em equilíbrio. O modelo de Peleg ajustou-se satisfatoriamente aos dados experimentais em todas as umidades relativas analisadas, mostrando que os parâmetros 1/k1 e 1/k2 representam sentido físico para o material estudado. ABSTRACT The evaluation of the water sorption kinetics of microcapsules produced with whole goat's milk powder is a completely innovative approach for the area. Thus, the objective of this study was to evaluate the moisture adsorption kinetics of Bifidobacterium BB-12 microcapsule produced with whole goat s milk as encapsulating agent, as well as to adjust the Peleg model to the experimental data. The use of goat's milk as a protective agent for Bifidobacterium BB-12 was shown to be efficient after the drying process by spray drying. The kinetic curves showed a tendency to adsorb more water at the beginning of the process and then to equilibrate. The Peleg model fitted satisfactorily to the experimental data in all the relative humidity analyzed, showing that the parameters 1/k1 and 1/k2 represent physical direction for the material studied. PALAVRAS-CHAVE: probiótico; microencapsulação; modelo de Peleg. KEYWORDS: probiotic; microencapsulation; Peleg model. 1. INTRODUÇÃO A a w de um alimento e a umidade relativa do ambiente no qual ele se encontra tendem sempre a equilibrar-se, desta maneira a adsorção de água e sua cinética são propriedades fundamentais de muitas substâncias e ingredientes alimentares. Além disso, a cinética de adsorção define o seu

2 comportamento físico e químico, bem como a vida útil de muitos, se não de todos os produtos alimentares. Por isso, é extremamente importante saber essas propriedades ou, pelo menos, saber como medir e modelá-los com precisão (Paquet-Durand et al., 2015). O leite em pó, por exemplo, é desidratado principalmente para prolongar sua vida útil e diminuir os custos com o transporte. Normalmente, os leites em pó são utilizados reidratados, sendo assim, é muito importante saber a duração do processo de hidratação desse leite, bem como conhecer a maneira correta de armazená-lo para que não faça trocas gasosas com o ambiente (Shrestha et al., 2007). Portanto, uma compreensão das características de sorção do vapor de água é essencial para que exista um melhor controle de qualidade de diversos alimentos durante o seu processamento e distribuição. No processo de sorção, as moléculas de água se distribuem entre a fase de vapor e a superfície do alimento até alcançar um estado de equilíbrio (Rhim et al., 2011). Este fenômeno de sorção pode ser estudado através da medição da taxa de aproximação ao equilíbrio por meio de curvas de adsorção que são gráficos de massa em função do tempo a uma dada umidade relativa e temperatura constante. O modelo empírico proposto por Peleg se destaca quando aplicados ao fenômeno da adsorção em alimentos. Peleg propôs uma equação não exponencial que descreve a adsorção da água em arroz e leite em pó, onde k2 é inversamente relacionado à umidade de equilíbrio e k1 é inversamente relacionado à taxa inicial de adsorção de água (Peleg, 1988). Um dos maiores benefícios deste modelo é a simplicidade, além da vantagem do ganho de tempo em predizer a cinética de sorção de água, possibilitando o cálculo do teor de umidade de equilíbrio (Peleg, 1988; Sopade et al., 1992; Turhan et al., 2002). Sendo assim, compreender a cinética de sorção de vapor de água pode ajudar na seleção de materiais de embalagem adequados e condições de armazenamento, além de poder avaliar o efeito de sorção de vapor de água durante o armazenamento (Rhim et al., 2011). Probióticos são definidos como bactérias que afetam beneficamente o hospedeiro quando administrados em quantidades adequadas e de forma contínua (FAO/WHO, 2006). Para ser considerado probiótico, o produto deve possuir contagem de células viáveis igual ou superior a 6 log UFC g -1 (Burgain et al., 2015). Métodos de microencapsulação podem ser aplicados com o intuito de melhorar a sobrevivência de probióticos durante o processamento, estocagem e através da passagem pelo sistema gastrointestinal (Ding; Shah, 2009). A avaliação das cinéticas de sorção de água de microcápsulas produzidas com leite de cabra integral em pó é uma abordagem completamente inovadora para a área. Sabe-se que os micro-organismos probióticos precisam de determinadas condições de umidade e a w para se manterem estáveis ao longo do armazenamento, bem como as características do pó também (Tonon et al., 2009). Sendo assim, o objetivo deste estudo foi avaliar a cinética de adsorção de umidade da microcápsula de Bifidobacterium BB-12 produzida com leite de cabra integral como agente encapsulante, bem como ajustar o modelo de Peleg aos dados experimentais. 2. MATERIAL E MÉTODOS Material A cultura probiótica liofilizada composta por Bifidobacterium BB-12 (BB-12, Chr. Hansen, Hónsholm, Dinamarca) foi utilizada como material ativo para as microcápsulas, enquanto que o leite de cabra desnatado comercial UAT (Ultra Alta Temperatura) (Caprilat, CCA Laticínios, Rio de Janeiro, Brasil) foi empregado para a preparação da cultura estoque de Bifidobacterium BB-12. Os agentes encapsulantes utilizados foram leite de cabra comercial em pó (Caprilat, Rio de Janeiro, Brasil). Todos os reagentes químicos empregados foram de grau analítico. Microencapsulação da Bifidobacterium BB-12 por spray drying

3 A cultura de Bifidobacterium BB-12 foi reidratada a 25 g L 1 em leite de cabra UAT, acondicionadas em frascos de vidro estéreis e mantidas congeladas como solução estoque a 18 ± 1 C. Esta solução estoque foi inoculada (100 ml L -1 ) na solução de alimentação. A solução de alimentação para a elaboração das microcápsulas de Bifidobacterium BB-12 foi elaborada a partir de 200 g L -1 leite de cabra integral em pó. A solução foi misturada e submetida a tratamento térmico a 80 ± 1 C por 30 minutos. Antes da adição da suspensão bacteriana, a solução de alimentação foi resfriada até atingir 25 ± 2 C. O processo de microencapsulação foi realizado em equipamento spray dryer modelo B-290 (Buchi, Flawil, Suíça), utilizando ar de secagem com temperatura de entrada de 150 ± 2 C e de saída de 50 ± 3 C, assim como descrito por Verruck et al. (2017). As microcápsulas foram coletadas na base do ciclone do spray dryer. Todos os experimentos foram realizados em triplicata. Avaliação da viabilidade da bactéria probiótica antes e após o spray drying Para determinar as contagens de células viáveis, a amostra foi homogeneizada e diluída em série com água peptonada (0,1%) e plaqueada em profundidade com ágar MRS modificado com a adição de cloreto de lítio (0,2%) e propionato de sódio (0,3%), de acordo com Vinderola e Reinheimer (1999). As placas foram incubadas em jarras de anaerobiose contendo AnaeroGen a 37 ± 1ºC durante 72 h. Os resultados foram expressos em unidades formadoras de colônias por grama de amostra (log UFC g -1 ). Todas as análises foram realizadas em triplicata. Cinéticas de sorção de umidade A amostra foi submetida a diferentes umidades relativas sob temperatura constante. Seis soluções saturadas de sais (LiCl, K 2 CO 3, NaBr, NaCl, KBr, BaCl 2 ) foram preparadas, de modo a fornecerem valores de umidade relativa de 11 %, 43 %, 58 %, 75 %, 80 % e 90 %, respectivamente. A umidade inicial (X 0 ) da amostra foi determinada. A amostra foi pesada em balança analítica em intervalos regulares de tempo até atingirem a umidade de equilíbrio em todas as umidades relativas analisadas. Os dados foram expressos em umidade em base seca no tempo. A partir dos dados experimentais obtidos e do dado de umidade no tempo inicial (X 0 ) foi possível construir as curvas de cinética de sorção de umidade. Os dados experimentais foram ajustados através do modelo proposto por Peleg (Peleg, 1988), utilizando a estimação não linear do software Statistica 13.0 (StatSoft Inc., Tulsa, EUA). Ajuste de Peleg: X(t) = X 0 + (t/k 1 +k 2 t) Onde: X(t) = Teor de água do produto para um dado instante de tempo. Umidade em base seca (g água / g sólido seco); X 0 = Umidade inicial do produto (g água / g sólido seco); t = Tempo, h; k 1 = Taxa constante de Peleg (h.g sólido seco. g água -1 ); k 2 = Capacidade constante de Peleg (g sólido seco. g água -1 ); Ajuste de unidade para o parâmetro k 1 : 1/ k 1 = g água. (g sólido seco.h) -1 ; Ajuste de unidade para o parâmetro k 2 : 1/ k 2 = g água. g sólido seco -1. Análise estatística Para determinar diferenças significativas (P <0,05) entre os resultados, utilizou-se a análise de variância unidirecional (ANOVA) seguida do teste de Tukey. Todas as análises foram realizadas utilizando o software STATISTICA 13.0 (StatSoft Inc., Tulsa, EUA). Os dados foram expressos como média ± desvio padrão. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4 Após o processo de secagem por spray drying, a contagem de células viáveis de Bifidobacterium BB-12 reduziu apenas 0,52 ciclos de log em relação à contagem na solução de alimentação. A microcápsula apresentou contagem de células viáveis acima de 6 log UFC g -1 do produto e, portanto, é considerada um produto com potenciais benefícios para a saúde humana. As curvas de cinética de sorção de umidade e o ajuste do modelo de Peleg aos dados experimentais para as condições de umidades relativas de 11, 43, 58, 75, 80 e 90% são apresentadas na Figura 1. A partir dos dados obtidos foi possível notar que todas as curvas apresentaram características de processo de adsorção em todas as umidades relativas estudadas com duas regiões bem definidas, ou seja, em um primeiro momento a velocidade que a quantidade de água é adsorvida no tempo foi maior, e no segundo momento essa velocidade diminui, até que a amostra entre em equilíbrio com o meio e apenas pequenas diferenças são notadas na massa. O comportamento encontrado nesse trabalho também foi relatado por Paquet-Durand et al. (2015), para diferentes partes de grão de trigo e por Rhim et al. (2011) para mingau de arroz liofilizado. Rhim et al. (2011) relataram devido à estrutura porosa de alimentos em pó, a absorção de umidade deve ser controlada, além disso, a rápida absorção de umidade inicial pode ser atribuída ao enchimento dos capilares sobre a superfície do pó enquanto que a diminuição da taxa de adsorção acontece porque os capilares já estão cheios com vapor de água. Além de observar a diferença na taxa de transferência de massa, foi possível observar que o equilíbrio demorou mais para ser alcançado quando a amostra foi submetida a condições de umidade relativas maiores. Naturalmente, a quantidade de vapor de água adsorvido (umidade de saturação) também foi aumentando de acordo com o aumento da umidade relativa. Figura 1- Curvas de cinética de sorção de umidade em umidades relativas de 11 a 90% à temperatura constante, com ajuste de Peleg.

5 As constantes k1 (1/k1) e k2 (1/k2) de Peleg estão apresentadas na Tabela 3. A constante k1 está inversamente relacionada com a taxa de transferência de massa, sendo que quanto menores forem os seus valores, maiores serão as taxas iniciais de absorção de água (Turhan et al., 2002). Como observado na Figura 1, os valores encontrados para esta constante aumentam quando a umidade relativa onde a amostra está acondicionada aumenta. Para exemplificar, na umidade relativa de 11% o valor de 1/k1 foi de 0,0258 g água/ g sólido seco.h, enquanto que nas umidades relativas de 80 e 90% esses valores foram de 0,0328 e 0,0459 g água/ g sólido seco.h, respectivamente. Isso significa que a constante k1 descreve bem o que já foi observado anteriormente na Figura 1, ou seja, quanto mais alta a umidade relativa maior é a taxa de transferência inicial de massa, uma vez que há um aumento no gradiente de umidade da amostra com o ambiente. Tabela 1 - Valores de 1/k 1 ±dp e 1/k 2 ±dp dados pelo modelo de Peleg em umidades relativas de 11 a 90%. R² > 0,99. % UR 1/k1 1/k ± b ± f ± b ± d ± b ± c ± b ± b ± b ± a ± a ± a a-g médias ± desvio padrão com diferentes letras minúsculas sobrescritas na mesma coluna indicam diferenças significativas (P <0,05) entre as diferentes umidades relativas. Já a constante k2 está relacionada com a capacidade máxima de absorção de água, e quanto menor o seu valor, maior será a absorção de água pelo produto (Turhan et al., 2002). Quanto maior o valor de 1/k2 maior a umidade de equilíbrio observada. Isso pode ter acontecido devido à pressão de vapor de água ser maior nas umidades relativas mais altas, o que faz com que à pressão de saturação constante, mais vapor de água estivesse disponível para fazer trocas com a amostra analisada. Assim como ocorreu com a constante de Peleg 1/k1, a constante 1/k2 apresentou valores menores na umidade relativa de 11% em comparação às umidades relativas de 80% e 90%. Tomando todas essas informações em conjunto, é possível concluir que o modelo de Peleg ajustou-se bem aos dados experimentais tanto em umidades relativas mais baixas, nas intermediárias e nas mais altas, fornecendo valores adequados da taxa inicial de transferência de massa (adsorção de umidade). Além disso, esse modelo pode ser utilizado para predizer ganho de massa (adsorção de umidade) em amostras com composição química próxima da amostra analisada quando submetidas a diferentes condições de umidade relativa, bem como pode predizer a quantidade de tempo em que esse ganho vai acontecer. Uma das principais vantagens do modelo de Peleg é poupar tempo ao prever a cinética de sorção de água de alimentos usando apenas alguns pontos experimentais (Peleg, 1988). De acordo com Paquet-Durand, Zettel and Hitzmann (2015), para analisar a adsorção de água utilizando o modelo Peleg, as medições experimentais devem ser realizadas de modo que os parâmetros do modelo possam ser determinados com tanta precisão quanto possível. Além disso, este modelo é muito utilizado devido à sua relativa simplicidade e bom desenho experimental de experimentos e às suas necessidades computacionais modestas (Paquet-Durand et al., 2015). 4. CONCLUSÕES A utilização de leite de cabra como agente protetor de Bifidobacterium BB-12 se mostrou eficiente após o processo de secagem por spray drying. As curvas de cinética mostraram uma

6 tendência a adsorver mais água no início do processo e depois entrar em equilíbrio. O modelo de Peleg ajustou-se satisfatoriamente aos dados experimentais em todas as umidades relativas analisadas, mostrando que os parâmetros 1/k1 e 1/k2 representam sentido físico para o material estudado. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e à CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio financeiro e à Chr. Hansen por fornecer a cultura probiótica. REFERÊNCIAS Burgain, J., Corgneau, M., Scher, J., & Gaiani, C. (2015). Encapsulation of Probiotics in Milk Protein Microcapsules. In Microencapsulation and Microspheres for Food Applications (pp ). Elsevier. Ding, W. K., & Shah, N. P. (2009). Effect of various encapsulating materials on the stability of probiotic bacteria. Journal of Food Science, 74(2), M100 M107. FAO/WHO. (2006). Probiotics in food: Health and nutritional properties and guidelines for evaluation. Food and Agriculture Organization of the United Nations/World Health Organization. Food and Nutrition Paper, 85, Paquet-Durand, O., Zettel, V., & Hitzmann, B. (2015). Optimal experimental design for parameter estimation of the Peleg model. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 140, Peleg, M. (1988). An empirical model for the description of moisture sorption curves. Journal of Food Science, 53(4), Rhim, J.-W., Koh, S., & Kim, J.-M. (2011). Effect of freezing temperature on rehydration and water vapor adsorption characteristics of freeze-dried rice porridge. Journal of Food Engineering, 104(4), Shrestha, A., Howes, T., Adhikari, B., Wood, B., & Bhandari, B. (2007). Effect of protein concentration on the surface composition, water sorption and glass transition temperature of spraydried skim milk powders. Food Chemistry, 104(4), Sopade, P. A., Ajisegiri, E. S., & Badau, M. H. (1992). The use of Peleg s equation to model water absorption in some cereal grains during soaking. Journal of Food Engineering, 15(4), Tonon, R. V., Brabet, C., Pallet, D., Brat, P., & Hubinger, M. D. (2009). Physicochemical and morphological characterisation of açai (Euterpe oleraceae Mart.) powder produced with different carrier agents. International Journal of Food Science and Technology, 44(10), Turhan, M., Sayar, S., & Gunasekaran, S. (2002). Application of Peleg model to study water absorption in chickpea during soaking. Journal of Food Engineering, 53(2), Verruck, S., de Carvalho, M. W., de Liz, G. R., Amante, E. R., Vieira, C. R. W., Amboni, R. D. de M. C., & Prudencio, E. S. (2017). Survival of Bifidobacterium BB-12 microencapsulated with full-fat goat s milk and prebiotics when exposed to simulated gastrointestinal conditions and thermal treatments. Small Ruminant Research, 153(February), Vinderola, C. G., & Reinheimer, J. A. (1999). Culture media for the enumeration of Bifidobacterium bifidum and Lactobacillus acidophilus in the presence of yoghurt bacteria. International Dairy Journal, 9(8),