Espumas estruturadas de caseína: otimização do processo de produção e caracterização físico-química

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos, Florianópolis, 2018.

Atualmente os consumidores buscam produtos inovadores e seguros para consumo. As espumas proteicas se encaixam nesta proposta pois possuem a capacidade de modificar a textura dos alimentos nos quais elas são incorporadas. As espumas são sistemas coloidais instáveis constituídos pela dispersão de um gás em um líquido. Para que esta dispersão seja possível é necessário o uso de agentes estabilizantes que sejam capazes de se adsorver na interface líquido-gás diminuindo a energia superficial do sistema e facilitando a formação de bolhas de gás. Algumas proteínas, em função da sua estrutura anfifílica, apresentam capacidade de formar espumas, dentre as quais se destacam as caseínas, que constituem cerca de 80 % do conteúdo proteico do leite bovino. Entretanto, do ponto de vista tecnológico além de formar a espuma, é necessário que a mesma seja estável e para isso outros compostos podem ser utilizados para auxiliar no retardamento de seus fenômenos de desestabilização. Dentre estes compostos se encontram os polissacarídeos que atuam aumentando a viscosidade da fase líquida e auxiliam na estabilidade da espuma formada. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de caseína na produção de espumas e a contribuição dos polissacarídeos alginato de sódio, goma xantana e carboximetilcelulose na formação e estabilização de espumas utilizando modelagem de misturas visando a elaboração de uma espuma estruturada. No planejamento de mistura foram produzidas soluções com diferentes concentrações de polissacarídeos que foram submetidos a batimento para produção de espumas e foram maximizados dois fatores: a capacidade espumante (overrun) e estabilidade (tempo de meia-vida, t1/2). A partir dos resultados obtidos foi selecionada a solução com maior capacidade espumante (overrun) e maior estabilidade (tempo de meia-vida, t1/2) para ser caracterizada em termos de teor de umidade, viscosidade e tensão superficial. A espuma produzida com esta solução otimizada foi caracterizada em termos de overrun, tempo de meia-vida, fração gasosa e posteriormente foi liofilizada para produção da espuma estruturada, que foi avaliada morfologicamente por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Além dessa caracterização foi avaliada a higroscopicidade do material através das cinéticas de adsorção de umidade em duas condições de umidade relativa: 33 % e 80 %. A solução selecionada para a produção das espumas estruturadas continha 1 % de caseína e 0,4 % de polissacarídeos (na proporção de 0,117 de alginato de sódio, 0,817 de goma xantana e 0,067 de carboximetilcelulose) e apresentou 3,966 ± 0,007 % de sólidos totais, viscosidade aparente de 412,534 ± 10,295 mPa s e tensão superficial de 51,93 ± 0,45 mN m-1. As espumas elaboradas a partir desta solução apresentaram os maiores valores de overrun (605,1 %) e maior tempo de meia-vida (t1/2 = 485 min) entre todas as formulações avaliadas, o que foi associado ao aumento da viscosidade da solução causado principalmente pela goma xantana, componente em maior proporção na mistura. Este aumento de viscosidade retardou a drenagem líquida e quanto mais lentamente o líquido entre as lamelas for drenado, menor será a tendência de as bolhas de ar coalescerem, consequentemente aumentando estabilidade da espuma. Destaca-se que o planejamento de misturas utilizando pseudocomponentes foi eficaz na seleção de uma solução capaz de formar espumas com alta incorporação do ar e estabilidade. As espumas estruturadas apresentaram elevada porosidade onde foi possível observar uma distribuição relativamente homogênea de tamanho de poros de formato esférico, a presença de filmes interfaciais e fronteiras de Plateau bem definidas. A espuma apresentou alta higroscopicidade com elevadas taxas de adsorção de umidade, propriedade associada à natureza higroscópica dos constituintes e a alta porosidade do material. Sendo assim, conclui-se que a técnica de planejamento de misturas foi eficiente para a seleção de uma solução adequada para elaboração de espumas estruturadas de caseína e polissacarídeos que podem vir a ser utilizadas como agentes de modificação de textura e/ou formulação de novos produtos.

Abstract : Today consumers are looking for innovative and safe products for consumption. Protein foams fit this proposal because they have the ability to modify the texture of the foods in which they are incorporated. Foams are unstable colloidal systems consisting of the dispersion of a gas into a liquid. For this dispersion to be possible, it is necessary to use stabilizing agents that are capable of adsorbing at the liquid-gas interface by decreasing the surface energy of the system and facilitating the formation of gas bubbles. Some proteins, due to their amphiphilic structure, have the ability to form foams, among them caseins, which constitute about 80% of the protein content of bovine milk. However, from the technological point of view in addition to forming the foam, it is necessary that it be stable and for this, other compounds can be used to assist in delaying its phenomena of destabilization. Among these compounds are the polysaccharides that act increasing the viscosity of the liquid phase and assist in the stability of the formed foam. In this context, the objective of this work was to evaluate the use of casein in the production of foams and the contribution of polysaccharides sodium alginate, xanthan gum and carboxymethylcellulose in the formation and stabilization of foams using modeling of mixtures aiming the elaboration of a structured foam. In the mixing planning, solutions with different concentrations of polysaccharides were produced, which were subjected to a foaming process and two factors were maximized: overrun and stability (half-life time, t1/2). Based on the obtained results, the solution with higher foam capacity (overrun) and higher stability (half-life, t1/2) was selected and was characterized in terms of moisture content, viscosity and surface tension. The foam produced with this optimized solution was characterized in terms of overrun, half-life, and gas fraction and was subsequently freeze-dried for the production of the structured foam, which was evaluated morphologically by scanning electron microscopy (SEM). In addition to this characterization, the hygroscopicity of the material through moisture adsorption kinetics was evaluated in two relative humidity conditions: 33% and 80%. The solution selected for the production of the structured foams contained 1% casein and 0.4% polysaccharides (in the proportion of 0.117 sodium alginate, 0.817 xanthan gum and 0.067 carboxymethylcellulose) and presented 3.966 ± 0.007% total solids, apparent viscosity of 412.534 ± 10.295 mPa s and surface tension of 51.93 ± 0.45 mN m-1. The foams made from this solution had the highest values of overrun (605.1 %) and a longer half-life (t1/2 = 485 min) among all the formulations evaluated, which was associated with the increase in the viscosity of the solution caused mainly by xanthan gum, component in the highest proportion in the mixture. This increase in viscosity has retarded liquid drainage and the more slowly the liquid between the coverslips is drained, the less the tendency for the air bubbles to coalesce, thereby increasing foam stability. It is noteworthy that the planning of mixtures using pseudocomponents was effective in the selection of a solution capable of forming foams with high air incorporation and stability. The structured foams presented high porosity where it was possible to observe a relatively homogeneous distribution of spherical pore size, the presence of interfacial films and well defined Plateau boundaries. The foam presented high hygroscopicity with high rates of moisture adsorption, property associated with the hygroscopic nature of the constituents and the high porosity of the material. Thus, it is concluded that the blending planning technique was efficient for the selection of a suitable solution for the preparation of structured foam of casein and polysaccharides that may be used as texture modifying agents and / or formulation of new products.