Formulation of carotenoids as natural preservatives and colorants in food industry

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Oliveira, Patrícia Isabel Gonçalves
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/54708
Resumo: Tese de mestrado, Qualidade Alimentar e Saúde, 2019, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling Formulation of carotenoids as natural preservatives and colorants in food industryNatural food preservativesCarotenoidsMicroencapsulationComplex coacervationProtein-polysaccharide combinationTeses de mestrado - 2019Ciências da SaúdeTese de mestrado, Qualidade Alimentar e Saúde, 2019, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.Desde que o Homem abandonou a vida nómada, a preservação dos alimentos tem sido uma preocupação. Originalmente eram utilizadas técnicas simples como a secagem ao sol, a adição de sal ou a defumação de peixe e carne. Atualmente, a indústria alimentar tem a responsabilidade não só de assegurar a conservação dos alimentos, mas também de fornecer um produto seguro (sem riscos físicos, químicos ou microbianos) e com características organoléticas e nutricionais de qualidade. Para isso, a incorporação de aditivos nos alimentos tem sido implementada à escala global, com uma variedade de propósitos tecnológicos (por exemplo, preservação, coloração, adoçamento, texturização). De acordo com a sua origem e processo de fabrico, os aditivos podem ser classificados como: aditivos naturais (adquiridos diretamente de animais ou plantas); semelhantes aos aditivos naturais (produzidos sinteticamente imitando os naturais); modificados a partir de aditivos naturais (aditivos naturais que são então modificados quimicamente); e, finalmente, aditivos artificiais (compostos sintéticos). Numa época em que a população está mais consciente e preocupada com hábitos alimentares mais saudáveis, os aditivos naturais têm vindo a ganhar um crescente interesse tanto por parte das indústrias alimentares como dos consumidores. Os conservantes são um grupo específico de aditivos (combinando os subgrupos: agentes antimicrobianos, antioxidantes e antibrowning) responsáveis pela prevenção ou abrandamento das alterações causadas por microrganismos ou enzimas que deterioram os alimentos. Os carotenóides são pigmentos lipofílicos que podem ser sintetizados por plantas, algas e microrganismos, como bactérias ou fungos, ou obtidos por síntese química. Reconhecidos pelas suas capacidades antioxidantes e corantes, os carotenóides são compostos promissores como conservantes, embora o seu uso seja sempre limitado devido à sua insolubilidade em água e alta suscetibilidade à oxidação quando expostos a pressões ambientais comuns (oxigénio, luz, temperatura). O objetivo deste trabalho foi formular carotenóides como conservantes e corantes alimentares naturais. A técnica escolhida foi a da microencapsulação por coacervação complexa, uma vez que não são necessários equipamentos específicos ou condições drásticas de reação e não há necessidade de uso de solventes orgânicos. A coacervação complexa consiste em proteger o bioativo (núcleo) com um sistema de parede resultante da interação eletrostática entre biopolímeros de cargas opostas, geralmente a combinação entre uma proteína (carga positiva) e um polissacarídeo (carga negativa). O β-caroteno, normalmente utilizado na indústria alimentar como corante, foi selecionado como material de núcleo e duas combinações proteína-polissacarídeo foram testadas como materiais de parede: lisozima-pectina e lisozima-goma arábica. O β-caroteno (C40H56) é um pigmento vermelho-alaranjado muito comum em vegetais e frutas, podendo também ser produzido por cianobactérias, fungos ou mesmo encontrado em microalgas. Entre todos os carotenóides, é o que tem a maior atividade pró-vitamina A, tendo potencial como ingrediente funcional. A lisozima (1,4-β-N-acetilmuramidase) é uma proteína hidrofílica com propriedades antimicrobianas que pode ser encontrada em tecidos e fluidos biológicos como saliva, suor ou colostro e também na clara de ovo de aves ou mesmo em frutas como papaia e figos. A pectina é um polissacarídeo solúvel em água que pode ser encontrado em quase todos os tipos de plantas terrestres como parte da estrutura de frutas e vegetais. A goma arábica é um exsudado da árvore africana Acacia senegal, com propriedades emulsionantes e estabilizantes, muito utilizada na indústria alimentar como agente texturizante. Estes compostos são biopolímeros comestíveis, não tóxicos e biodegradáveis, sendo uma boa opção para a indústria alimentar. A complexação eletrostática entre a lisozima-pectina e a lisozima-goma arábica foi estudada em função do pH e rácio de massa usando medidas de turbidez e densidade de carga superficial (ζ-potencial). As condições otimizadas obtidas para os coacervados lisozima-pectina foram pH 4 no rácio de massa 4:1 e para os coacervados de lisozima-goma arábica foram pH 8 no rácio de massa 2:1. As microcápsulas produzidas foram caracterizadas por estruturas semelhantes a esferas, agregadas, com altos valores de índice de polidispersibilidade (>0,8). Os valores mais baixos de eficiência de encapsulação (EE) e rendimento (Y) para as microcápsulas de lisozima-pectina (EE≈10%, Y≈20%), quando comparados com os valores obtidos para as microcápsulas de lisozima-goma arábica (EE≈50%, Y≈40), demonstraram que a última combinação de biopolímeros possivelmente será a mais adequada como agentes encapsulantes para o β-caroteno. A atividade antimicrobiana da lisozima foi testada pelo método de microdiluição em meio líquido revelando uma concentração mínima inibitória de 50 mg/mL para Staphylococcus aureus. No entanto, quando utilizada como componente encapsulante terá perdido a sua capacidade antimicrobiana, uma vez que para ambas as combinações de microcápsulas não houve inibição do crescimento microbiano. A razão poderá estar ligada à diminuição da concentração da proteína devido à etapa de secagem das microcápsulas, através de liofilização. Em conclusão, a técnica de coacervação complexa e as combinações de biopolímeros testados são promissoras para produzir um conservante alimentar. Deverão ser realizados estudos adicionais, pois esta técnica está muito dependente da otimização exaustiva dos parâmetros físico-químicos envolvidos (pH, relação proteína-polissacarídeo, agitação, tempo, método de secagem).Since human kind abandoned nomad life food preservation has been a major concern. Originally, simple techniques such as sun drying, adding salt or smoking fish and meat were used. Nowadays, the food industry has the responsibility not only to assure foodstuff preservation but also to provide a safe (without physical, chemical or microbial risks) product with organoleptic and nutritional quality. In this regard, additives have been implemented at a global scale. Additives are substances intentionally added to food for a variety of technological purposes (e.g., preservation, coloring, sweetening, texturizing). They can be classified according to their origin and manufacture processes, as natural additives (acquired directly from animals or plants); similar to natural additives (produced synthetically mimicking natural ones); modified from natural additives (natural additives that are then modified chemically) and lastly artificial additives (synthetic compounds). In a time where the population is more aware and concerned about healthier food and habits, natural additives have been gaining interest both from the food industries and the consumers. Preservatives are a specific group of additives responsible for preventing or slow down alterations caused by food spoilage microorganisms or enzymes. Carotenoids are lipophilic pigments that can be synthesized by plants, algae and microorganisms such as bacteria or fungi or obtained by chemical synthesis. Recognized by their antioxidant and colorant capacities, carotenoids are promising compounds to implement as preservatives, although their use is always limited due to water insolubility and high susceptibility to oxidation when exposed to common environmental stresses (oxygen, light, temperature). The present work was aimed to formulate carotenoids as natural food preservatives and colorants. Microencapsulation through complex coacervation was the chosen technique, since no specific equipment or drastic reaction conditions are required and there’s no need for organic solvents. Complex coacervation consists of protecting the bioactive (core) to a wall system resulted by electrostatic interaction between two opposite charge biopolymers, usually a combination of a protein (positively charged) with a polysaccharide (negatively charged). β-carotene was selected as a core material and two protein-polysaccharide combinations were tested as wall materials: lysozyme-pectin and lysozyme-gum arabic. β-carotene (C40H56), used in food industry as a colorant, is one of the most common red–orange pigments found in vegetables and fruits, but it can also be produced by cyanobacteria, fungi or even found in microalgae. Among all carotenoids, it is the one that has the highest pro-vitamin A activity, having potential as a functional ingredient. Lysozyme (1,4-β-N-acetylmuramidase) is a extensively studied hydrophilic protein with antimicrobial properties that can be found in tissues and biological fluids such as saliva, sweat or colostrum and also in avian egg white or even fruits like papaya and figs. Pectin is a water-soluble polysaccharide that can be found in almost every sort of ground plants as a part of the structure of fruits and vegetables. Gum arabic is an exudate from the African tree Acacia senegal, with emulsifier and stabilizer properties, highly used in the food industry as a texturizing agent. These materials are edible, nontoxic and biodegradable biopolymers making them a good option for the food industry. Electrostatic complexation between lysozyme-pectin and lysozyme-gum arabic was studied as a function of pH and mass ratio using turbidity and surface charge density (ζ-potential) measurements. The optimized conditions obtained for lysozyme-pectin coacervates were pH 4 at the mass ratio 4:1 and for lysozyme-gum arabic coacervates were pH 8 at mass ratio 2:1. The microcapsules were characterized by aggregated spherical forms with high values of polydispersity index (>0.8). The lower values of encapsulation efficiency (EE) and yield (Y) for lysozyme-pectin microcapsules (EE≈10%, Y≈20%) when comparing to the lysozyme-gum arabic microcapsules (EE≈50%, Y≈40) demonstrated that the last biopolymers combination seemed to be more suitable as encapsulating agents for β-carotene. Lysozyme’s antimicrobial activity was tested by the broth microdilution method revealing a minimum inhibitory concentration value of 50 mg/mL for Staphylococcus aureus. However, when applied as an encapsulating component its antimicrobial activity was lost, as seen by the absence of growth inhibition for both microcapsules’ combinations. A decrease in protein concentration may occur due to the microcapsules freeze-drying step. In conclusion, complex coacervation technique and the tested biopolymers are promising to produce a food preservative. Additional studies should be performed since this technique is very dependent of an exhaustive optimization of the physicochemical parameters involved (pH, protein- polysaccharide ratio, stirring, time, drying method).Com o patrocínio do iBET; Competitiveness and Internationalization Operational Program; Programa Operacional Regional de Lisboa; Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, IP); European Regional Development Fund (ERDF); INTERFACE Programa; FEDER.Gonçalves, Vanessa Santos SilvaDuarte, Noélia Maria da Silva DiasRepositório da Universidade de LisboaOliveira, Patrícia Isabel Gonçalves2022-10-06T10:30:34Z2019-12-202019-11-222019-12-20T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/54708TID:202463940enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:01:13Zoai:repositorio.ul.pt:10451/54708Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:05:28.330184Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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