ENCAPSULAÇÃO DE CORANTES FUNCIONAIS EM MATRIZ DE ALGINATO PURO OU RECOBERTO POR BIOPOLÍMEROS

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1 ENCAPSULAÇÃO DE CORANTES FUNCIONAIS EM MATRIZ DE ALGINATO PURO OU RECOBERTO POR BIOPOLÍMEROS Juliana Q. Albarelli 1*, André Macumoto 1, Lisa C. Carvalho 1, Diego Tresinari dos Santos 2, Maria Angela A. Meireles 2, Marisa M. Beppu 1 1 Universidade Estadual de Campinas - Unicamp, Faculdade de Engenharia Química (FEQ),Campinas-SP * albarelli@feq.com.br, beppu@feq.unicamp.br 2 Universidade Estadual de Campinas - Unicamp, Faculdade de Engenharia Alimentos (FEA),Campinas-SP A utilização de polímeros naturais nas indústrias alimentícias e farmacêuticas vem crescendo devido às suas características de não-toxicidade, biocompatibilidade e biodegradabilidade. Biopolímeros como alginato, quitosana e acetato de celulose tem sido estudados para aplicação na liberação controlada de diferentes compostos. Entretanto pouco se estudou sobre a utilização destes para encapsulação de corantes naturais com propriedades nutracêuticas. A encapsulação destes, além de viabilizar a liberação controlada, traz o benefício de estabilização deste composto. Este trabalho investigou as propriedades do polímero alginato de cálcio e do alginato recoberto por quitosana ou acetato de celulose para aplicação na encapsulação de corantes funcionais. A análise de microscopia (MEV) mostrou a modificação da superfície ocasionada pelo recobrimento, evidenciando a interação entre os polímeros de recobrimento com a camada superficial do alginato. A avaliação do grau de intumescimento mostrou que os diferentes recobrimentos afetam este parâmetro. Palavras-chave: biopolímeros, encapsulação, liberação controlada, antocianinas. Encapsulation of functional colorant in pure alginate matrix and alginate coated with biopolymers The utilization o natural polymers at food and drug industry are growing due to the characteristics of non toxicity, biocompatibility and biodegradability of these materials. Biopolymers as alginate, quitosana and cellulose acetate have been studied for application on the controlled release of different compounds. Few studies report the utilization of these materials to encapsulate nutraceutical colorants. The encapsulation of these colorants not only enables the controlled realease but also has the benefit to stabilize these compounds. This study investigates the properties of calcium alginate polymer and also calcium alginate coated with chitosan or cellulose acetate for application in encapsulation of funcional colorants. The scanning electron microscopy (SEM) analysis showed the surface modifications caused by the coating, demonstrating the interaction between the coating polymers with the alginate surface layer. The swelling degree analysis showed that this parameter is affected by these different coatings. Keywords: biopolymers,encapsulation, controlled release, antocianines. Introdução Polímeros naturais em sistemas de encapsulação de compostos e liberação controlada têm sido muito utilizados pela indústria farmacêutica e de alimentos devido às propriedades de biodegradabilidade e biocompatibilidade destes materiais. A influência de estímulos internos ou externos, como ph e temperatura, ocasiona mudanças físicas na matriz destes polímeros, tornandoos atrativos para diferentes sistemas de liberação [1]. O alginato é um biopolímero largamente utilizado, e sua rápida gelificação na presença de íons cálcio sobre condições amenas (sem alterações drásticas de temperatura, ph e pressão osmótica) permite a utilização deste para os mais diversos fins. Esferas e microesferas deste biopolímero para liberação controlada de fármacos, peptídeos e proteínas tem sido extensivamente estudadas [2-4].

2 Outro biopolímero muito estudado para finalidades alimentícias e farmacêuticas é a quitosana, mas sua solubilidade em meio ácido restringe suas aplicações. Entretanto, a utilização combinada destes dois polímeros se mostra muito interessante. A combinação destes dois polímeros dificulta a liberação em meio ácido (ph estomacal) e favorece a liberação em meio básico (ph intestinal). Membranas de acetato de celulose tem sido bastante estudadas com relação à liberação controlada de compostos, principalmente na área de princípios ativos, tais como fármacos [5]. Assim como os biopolímeros alginato e quitosana, diversos estudos demonstraram sua potencialidade e biocompatibilidade para liberação de compostos no corpo humano [5-8]. Entretanto, pouco tem sido estudado em relação a encapsulação de pigmentos funcionais para estabilização e liberação controlada em polímeros naturais. As antocianinas, pigmentos da classe dos flavonóides, se destacam pela sua ampla distribuição na natureza e suas inúmeras propriedades funcionais: atividade antioxidante, antiinflamatória, anti-neoplásica, etc. [9]. Porém, o principal entrave no seu uso em produtos industrializados é sua instabilidade. Fatores, tais como ph, temperatura, luz, dentre outros, afetam a cor e a estabilidade destes pigmentos. Uma opção que recentemente vem demonstrando grande potencial é a encapsulação destes pigmentos. Dentre as vantagens apresentadas a mais importante é a preservação do corante natural aliada à possibilidade de liberar controladamente estes compostos funcionais no corpo humano [10]. Desta forma, o presente trabalho visa analisar a aplicabilidade do alginato de cálcio na forma de esferas sem e com recobrimento por quitosana ou acetato de celulose para encapsulação de composto antociânico extraído da jabuticaba. Foram analisadas as propriedades do sistema de encapsulação em relação ao intumescimento e características morfológicas de sua superfície. Experimental Matérias-primas Para obtenção das esferas foi utilizado alginato de sódio (Vetec Química Fina LTDA), cloreto de cálcio monohidratado (agente reticulante) (Synth). Para o recobrimento das esferas quitosana com grau de desacetilação acima de 85% (Sigma Aldrich) e acetato de celulose obtido a partir do tratamento da celulose proveniente do bagaço de cana-de-açúcar [11]. Os extratos ricos em pigmentos antociânicos foram fornecidos pelo laboratório LASEFI da Faculdade de Engenharia de Alimentos da UNICAMP. Estes foram obtidos utilizando extrator do tipo Soxhlet, com cerca de 25 gramas de casca de jabuticaba (Myrciaria cauliflora) fresca e 250 ml de etanol, com tempo de extração de 2 horas.

3 Obtenção das esferas de alginato Esferas de alginato foram obtidas através do gotejamento de solução de alginato de sódio 1,5% em solução de CaCl 2 0,5M, utilizando uma seringa e agulha (1,5 polegadas). As esferas formadas permaneceram em solução de CaCl 2 por 30 minutos, posteriormente a suspensão foi filtrada e as esferas obtidas foram lavadas com água destilada. Obtenção das esferas de alginato recobertas O recobrimento das esferas de alginato foi realizado por imersão em solução de quitosana 0,5% diluida em solução de ácido acético 0,5% ou em solução de acetato de celulose 1% em clorofórmio por 10 minutos. A suspensão foi filtrada e as esferas lavadas com água destilada, o material obtido foi imerso em solução de CaCl 2 por 10 minutos para remoção do excesso do recobrimento. Posteriormente, a solução foi filtrada e as esferas, lavadas com água destilada. Encapsulação do extrato de casca de jabuticabal Para encapsulação do extrato de jabuticaba foi utilizada 10 mg de extrato para cada 1ml de solução de alginato 1,5%. Após a completa solubilização do extrato na solução, foram realizados os procedimentos descritos de obtenção de esferas de alginato e esferas de alginato recobertas. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) A análise da superfície do polímero foi realizada utilizando microscópio eletrônico de varredura de alta resolução da marca Leica modelo LEO 440i. Para tanto, as esferas foram secas ao ar por 72hs, e recobertas com ouro, no metalizador da marca Polaron modelo SC7620. Grau de intumescimento (GI): A variação do intumescimento das amostras foi analisada em relação a solução tampão ácida de hidróxido de potássio e ácido clorídrico (ph 2,4), solução tampão de fosfato (ph 7,4) e água (ph 7,0). Uma massa m o de esferas secas foi imersa nas diferentes soluções. Periodicamente, a solução era filtrada, o excesso de umidade era retirado com uma leve compressão com papel filtro e as esferas, pesadas. O procedimento foi repetido até que fosse atingida massa constante. O grau de intumescimento foi calculado através da equação: GI(%) = [(m m o )/m o ] x 100 onde m é a massa das esferas após um determinado tempo imerso em solução. Resultados e Discussão Pelo método adotado de extrusão de alginato, foram obtidas partículas do polímero de geometria esférica com diâmetro variando entre 2,8 a 3,2 mm, sendo que o recobrimento não alterou significativamente as dimensões das esferas formadas. A Figura 1 mostra as microfotografias da superfície das esferas de alginato e de alginato recobertas por quitosana e acetato de celulose. Verificou-se que a estrutura esférica colapsou com a secagem, mesmo esta sendo realizada lentamente utilizando-se temperatura ambiente. Isto ocorre, pois, o gel de alginato é

4 constituído por 99 99,5% de água [12], sendo o restante alginato. Quando em gel, o alginato possui características similares às dos sólidos por manter sua forma e resistir a diferentes tensões de ruptura. Entretanto, ao secar, sua estrutura colapsa perdendo a forma esférica e formando uma densa e rígida estrutura. A Figura 1 também mostra que uma maior irregularidade na superfície foi observada para as esferas recobertas. Segundo Shi e colaboradores (2008) pode-se relacionar este fenômeno à formação de uma camada complexa de polieletrólito entre o alginato e o polímero de recobrimento. A formação desta camada induzida pelo recobrimento pode dificultar a difusão do composto encapsulado para fora da matriz do polímero, o que faz com que a liberação ocorra por maior tempo, o que na maioria das vezes é desejado. Figura 1 MEV das esferas de alginato e alginato recoberto por Acetato de Celulose ou Quitosana É sabido que o intumescimento de hidrogéis é uma propriedade muito importante para sistemas de liberação controlada. O aumento no diâmetro deste material devido ao seu intumescimento proporciona um maior afastamento entre as cadeias do polímero permitindo uma maior difusão do composto encapsulado para a solução onde este será liberado. A Figura 2 mostra o diagrama de intumescimento do alginato e alginato recoberto para diferentes valores de phs. Verificou-se que o recobrimento por quitosana proporcionou as maiores taxas de intumescimento para os diferentes valores de phs, enquanto o recobrimento por acetato de celulose ocasionou as menores alterações de volume nas esferas. Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/2009

5 Em ph menor do que 4, a reticulação causada devido aos íons cálcio na matriz de alginato é deslocada, fazendo com que o polímero fique protonado [2]. Neste novo estado, o polímero passa a ocupar um menor volume. Com o recobrimento, este processo é alterado, a interação dos polímeros com alginato impede a completa protonação. No recobrimento por acetato de celulose isto é visível pelo decréscimo do encolhimento sofrido pelo sistema em relação ao alginato puro. A quitosana, por ser solúvel em meio ácido, se expande fazendo com que a taxa de intumescimento seja positiva. Em ph 7 foi observado que o polímero novamente teve seu volume reduzido. Esta redução novamente foi minimizada devido ao recobrimento. Em ph 7,4 ocorreu o maior ganho de volume para todos os casos. Quando em solução tampão de fosfato, a reticulação por íons cálcio se torna fraca deixando as cadeias mais maleáveis. Devido ao polímero se encontrar ionizado neste ph, pontes de hidrogênio com a água são formadas inchando o polímero. Este processo é diminuído com o recobrimento por acetato de celulose, que diminui a ionização do alginato. Com a quitosana, o aumento de volume é potencializado devido a elevada capacidade de intumescimento da quitosana em água (aproximadamente 140% em ph neutro) [1]. Entretanto, com um maior tempo de permanência nesta solução, possivelmente ocorre a completa substituição dos íons cálcio da matriz de alginato, ocorrendo perda de massa até a dissolução do polímero. 80% 70% 60% Taxa de Intumecimento 50% 40% 30% 20% Alginato Alginato + Quitosana Alginato + Acetato 10% 0% ph 2,4 ph 7 ph 7,4-10% Figura 2 Diagrama de intumescimento do sistema de encapsulação para diferentes phs. Em ensaios preliminares de encapsulação, o corante extraído de casca de jabuticaba foi encapsulado em alginato conforme o procedimento descrito anteriormente. As esferas formadas apresentaram forte coloração vermelho escuro, não indicando degradação do corante. Entretanto, não foi possível quantificar a eficiência de encapsulação usando a método descrito pela literatura [1-

6 4]. Neste método, as esferas de alginato são colocadas em solução tampão de fosfato por 24 horas. Entretanto, neste ph as antocianinas se degradaram não podendo ser quantificada. De modo a quantificar a perda de corante durante a formação das esferas de alginato, isto é, sua encapsulação, foram retiradas alíquotas da solução de CaCl 2 após o tempo de permanência das esferas em solução para a reticulação do alginato. Devido a não-linearidade da função concentração versus absorbância deste corante em valores de ph maiores que 2, os valores de absorbância das alíquotas foram analisadas e comparadas com a absorbância de uma solução de concentração conhecida. Obteve-se uma absorbância média menor (0,4363) do que a da solução conhecida (0,59610). Desta forma, pode-se afirmar que a perda por encapsulção foi menor do que 2%, portanto a eficiência de ancapsulação foi de aproximadamente 98%. Conclusões Diante dos dados obtidos neste trabalho verificou-se a potencialidade de utilização do alginato como matriz polimérica para encapsulação de antocianinas extraídas de casca de jabuticaba. O recobrimento das esferas de alginato por quitosana ou acetato de celulose proporcionou modificações nas características do polímero alginato. O recobrimento interagiu com as esferas criando uma camada eletrolítica, o que possivelmente dificultará a difusão do composto encapsulado aumentando a eficiência de encapsulação e favorecendo a sua liberação controlada. O grau de intumescimento variou com o tipo do recobrimento, sendo que a quitosana proporcionou os maiores valores, enquanto o acetato fez com que o volume do sistema variasse pouco com a alteração de ph. Devido a estes promissores resultados, maiores estudos de encapsulação e liberação controlada nestes sistemas serão realizados. Agradecimentos Ao CNPq pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. J. Shi; N. M. Alves; J. F. Mano J. Biomed Mater Res. Part B. 2008, Vol. 84B, W.T. Kim; H. Chung; I.S. Shin; K. L. Yam; D. Chung J. Carbohydrate Pol. 2008, Vol. 71, S.K. Basu; A. Rajendran Chem. Pharm Bull. 2008, Vol. 8, Y.N. Dai; P. Li; J.P. Zhang; A.Q. Wang, Q. Wei J. Biomed Mater Res. Part B. 2008, Vol. 86B, F. Wang et al. Mater Sci Eng C. 2002, Vol. 20, A.J. Shukla; J.C. Price Pharm. Res. 1991, Vol. 8, S.N. Makhija; P.R. Vavia J Control Release. 2003, Vol. 89, K.C. Waterman; B.C MacDonald; M.C Roy J Control Release. 2009, Vol. 134, D.T. Santos; M.A.A. Meireles Pharmacognosy Reviews. 2009, Vol, 5, in press. 10. S. Xiong; L. D. Melton; A. J. Easteal; D. Siew. J. Agricultural and Food Chem. 2006, Vol. 54, L.C.Carvalho, Qualificação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, G. Fundueanu; C. Nastruzzi; A. Carpov; J. Desbrieres; M. Rinaudo Biomat.1999, Vol. 20,