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Microencapsulação de probióticos e vitaminas por Spray Dryer: desafios e inovações

Capítulo de livro publicado no livro do I Congresso Internacional em Ciências da Nutrição. Para acessa-lo  clique aqui.

DOI: https://doi.org/10.53934/9786585062015-11

Este trabalho foi escrito por:

Nataly de Almeida Costa *; Maria José do Amaral e Paiva ; Ester de Paula Amaral ; Laura Rodrigues Silveira ; Gabriel Clementino Pereira ; Daniele de Almeida Paula ; Érica Nascif Rufino Vieira

*Nataly de Almeida Costa (Corresponding author) – Email: [email protected]

Resumo: A conscientização dos consumidores de que os produtos alimentícios contribuem com a saúde, impulsionou o desenvolvimento da indústria de alimentos. Assim, o mercado vem apresentando uma gama crescente de alimentos que além da nutrição básica promovem outros benefícios. Diferentes técnicas de microencapsulação estão disponíveis e funcionam como alternativa para inserção de alguns compostos sensíveis como probióticos e vitaminas em diferentes matrizes alimentares. O objetivo dessa revisão foi descrever o processo de microencapsulação por spray drying para melhorar a estabilidade de vitaminas e a sobrevivência de microrganismos probióticos. A microencapsulação por spray drying é uma das técnicas mais utilizadas devido a fácil aplicação em escala industrial e alto rendimento do processo. O spray dryer apesar de utilizar altas temperaturas para secagem e obtenção do pó, o composto microencapsulado não sofre alterações pelo calor. Alguns fatores como a temperatura de entrada e saída, a concentração e o tipo de material de parede utilizado podem influenciar no rendimento e estabilidade das microcápsulas obtidas. Diferentes estudos presentes na literatura evidenciam a eficiência da encapsulação para proteger e estabilizar compostos sensíveis como vitaminas e probióticos. Dessa forma, a microencapsulação por spray drying pode ser considerada como uma alternativa para adição desses compostos aos alimentos durante o processo de fabricação afim de promover maior estabilidade durante as etapas de processamento e período de armazenamento até chegar ao consumidor em quantidades suficientes para atender as necessidades do organismo. 

Palavras–chave: atomização; microcápsulas; probióticos; secagem; vitaminas

Abstract: Consumer awareness that food products contribute to health has driven the development of the food industry. Thus, the market has been presenting a growing range of foods that, in addition to basic nutrition, provide other benefits. Different microencapsulation techniques are available and work as an alternative for the insertion of some sensitive compounds such as probiotics and vitamins in different food matrices. The objective of this review was to describe the microencapsulation process by spray drying to improve the stability of vitamins and the survival of probiotic microorganisms. Microencapsulation by spray drying is one of the most used techniques due to its easy application on an industrial scale and high process yield. The spray dryer, despite using high temperatures for drying and obtaining the powder, the microencapsulated compound does not undergo changes by heat. Some factors such as inlet and outlet temperature, concentration and type of wall material used can influence the yield and stability of the microcapsules obtained. Different studies in the literature show the efficiency of encapsulation to protect and stabilize sensitive compounds such as vitamins and probiotics. In this way, microencapsulation by spray drying can be considered as an alternative for adding these compounds to foods during the manufacturing process in order to promote greater stability during the processing steps, storage period until reaching the consumer in sufficient quantities to meet the needs of the organism.

Keywords: atomization; microcapsules; probiotic; drying; vitamins

INTRODUÇÃO

A pandemia de Covid-19 estimulou a tendência do consumo de alimentos capazes de favorecer o sistema imunológico, incluindo ingredientes bioativos, suplementos e nutracêuticos (1). Com as mudanças que ocorreram na sociedade, alguns hábitos de consumo foram alterados, dentre eles o aumento na ingestão de produtos frescos e saudáveis (2). A incorporação de ingredientes como vitaminas e microrganismos probióticos em vários sistemas alimentares funcionais é uma abordagem importante para melhorar seu valor nutricional e promover diferentes benefícios ao organismo do consumidor.

A busca por novos produtos saudáveis utilizando ingredientes ativos e naturais está ocasionando o desenvolvimento de novas formulações e técnicas capazes de incorporar esses compostos nos alimentos. As vitaminas são importantes compostos bioativos que precisam ser fornecidas através da dieta para contribuir com bom funcionamento do organismo humano (3). Já os probióticos são microrganismos que quando consumidos em quantidades adequadas são capazes de conferir benefícios à saúde do hospedeiro (4).

Entretanto, algumas dificuldades para inserção desses compostos são encontradas durante as etapas de fabricação dos alimentos, assim como, no período de armazenamento, pois a maioria desses compostos é muito sensível ao processamento e a condições ambientais adversas, como luz, umidade, calor e oxigênio, o que representa um grande desafio para adição em escala industrial (5). Além disso, outras dificuldades são encontradas limitando suas aplicações como a dificuldade de solubilidade de alguns compostos, a estabilidade inferior, sabor desagradável e bioacessibilidade e biodisponibilidade limitadas (6).

Nesse caso, a microencapsulação pode ser considerada como uma alternativa para superar esses desafios. Os processos de encapsulamento visam aumentar a estabilidade do composto quando submetido em condições adversas durante o processamento e armazenamento, tais condições como temperatura, umidade, oxigênio e luz. Além disso, a encapsulação tem como vantagem proporcionar a liberação controlada do composto sob condições específicas e no local de ação desejado, proporcionando melhor atividade (5).

Diferentes técnicas de encapsulação, dentre elas secagem por pulverização, resfriamento por pulverização, extrusão, aprisionamento de lipossomas, coacervação complexa e processo eletrohidrodinâmico  estão sendo aplicadas para formação de microestruturas capazes de garantir uma alta estabilidade do composto envolvido e entrega controlada no local de ação (7). Dentre as técnicas de microencapsulação, o Spray Dryer é considerada como a mais utilizada na indústria alimentícia devido ao seu custo-benefício, aplicabilidade em escala industrial e alto rendimento (8).

Dessa forma, essa revisão tem como objetivo evidenciar a técnica de microencapsulação por Spray Dryer como uma alternativa capaz de promover a estabilidade de compostos sensíveis como as vitaminas e os microrganismos probióticos durante o processamento e armazenamento dos produtos alimentícios.

TÓPICOS

– Microencapsulação

A microencapsulação vem sendo empregada nos últimos anos e tem demonstrado resultados promissores para empacotar compostos sensíveis que anteriormente teriam uma aplicação limitada. A microencapsulação consiste em um método capaz de proteger diferentes tipos de ingredientes dos fatores extrínsecos, promove a liberação controlada do composto envolvido em determinado local específico (7).

A técnica consiste no aprisionamento de uma substância denominada como material de núcleo dentro de uma substância imiscível denominada como material de parede, e assim, construindo uma barreira protetora para o composto sensível que se encontra no núcleo em relação às condições externas como altas temperaturas, oxigênio, longos períodos de armazenamento, dentre outros (8).  Além disso, pode proteger o composto do núcleo, reduzir sua reatividade com fatores externos, diminuir a taxa de transferência do núcleo para o exterior e controlar a liberação, facilitar o manuseio e mascarar o sabor.

A técnica de microencapsulação resulta em produtos denominados como microesferas, que podem ser classificadas em micropartículas ou microcápsulas dependendo da estrutura interna e morfologia (10). As micropartículas não possuem um núcleo definido, pois o material encapsulado fica disperso no material de parede, formato muito comum na técnica de spray drying. Já as microcápsulas possuem núcleo definido envolvido pelo material de parede, comum na técnica de coacervação complexa.

O material encapsulado é liberado de acordo com o mecanismo de liberação de cada técnica ou material de parede. Dentre os mecanismos utilizados, ele pode ser liberado por solubilização, desintegração ou desorganização da parede das microesferas, biodegradação por enzimas presente no sistema gastrointestinal, mudanças de pH e temperatura, pressão como agitação ou mastigação (11).

Dessa forma, as diferentes técnicas utilizadas na microencapsulação podem ser consideradas estratégias econômicas para superar os desafios encontrados na indústria de alimentos para adição de compostos sensíveis como as vitaminas e os probióticos nos alimentos. A microencapsulação é necessária para que o composto microencapsulado se mantenha estável durante as etapas do processamento, tratamento térmico e armazenamento.

Várias técnicas, incluindo secagem por pulverização, liofilização, revestimento em leito fluidizado, gelificação iônica, gelificação térmica e emulsão foram aplicadas para microencapsulação e cada técnica apresenta vantagens e desvantagens únicas. [4] A seleção de uma técnica de microencapsulação depende da eficiência do encapsulamento, da complexidade do procedimento, do custo do processo e da escolha dos materiais de parede.

– Spray Drying

A secagem por pulverização é a técnica mais empregada tanto na indústria de alimentos como na indústria farmacêutica devido à alta flexibilidade do processo, baixo custo para produção das micropartículas, possibilidade de produção em grande escala quando comparada com outras técnicas (12).

O spray drying é um método econômico de encapsulamento empregado na indústria com capacidade de transformar uma solução encapsulante líquida em micropartículas secas. Essa técnica é amplamente utilizada para microencapsular diferentes tipos de nutrientes como vitaminas, assim como, microrganismos probióticos devido ao seu baixo tempo de processamento e alto rendimento (13).

 O equipamento é composto por uma câmara de secagem onde se encontra o bico atomizador, um ciclone que vai realizar a sedimentação das microcápsulas, exaustor para controlar a entrada e saída de ar, aquecedor para enviar o ar aquecido para câmara de secagem e o bico atomizador responsável por atomizar a solução encapsulante contendo o composto sensível em pequenas gotículas que em contato direto com ar quente se transformam em pó (Figura 1).

O processo de microencapsulação por spray drying consiste basicamente em 4 etapas, na primeira etapa ocorre a atomização da solução encapsulante contendo o composto disperso através do bico atomizador, que converte o líquido em pequenas gotículas dentro da câmara de secagem, ao mesmo tempo ocorre a entrada do ar aquecido de acordo com a temperatura programada (Figura 2).

A 2° etapa consiste no contato das gotículas atomizadas com o ar de secagem, como a solução encapsulante foi atomizada em pequenas gotículas com uma extensa área de superfície, isso causa um aumento nas taxas de transferência de calor e massa. Como a temperatura de secagem por pulverização é relativamente baixa e o tempo de residência das gotículas/partículas é muito curto, em questão de segundos, o calor não afeta o composto encapsulado. O efeito de resfriamento causado pela evaporação do solvente ajuda a temperatura do produto seco a não subir acima da temperatura de bulbo úmido.

Na 3° etapa ocorre a evaporação da água presente na gotícula que depende da superfície de evaporação para garantir uma secagem rápida. Quanto maior a diferença de pressão parcial da água entre a gotícula e o ar de entrada, mais rápido ocorrerá a secagem. Entretanto, alguns fatores influenciam o processo de secagem e consequentemente a estabilidade do composto envolvido devido a temperatura utilizada no ar de entrada, a proporção de material de parede empregado, a taxa de fluxo da alimentação, o teor de sólidos totais da solução encapsulante, dentre outros fatores.

A 4° etapa consiste na separação das microcápsulas do ar de secagem. Após a secagem na câmara, o ar carreia as microcápsulas para o ciclone que promove um fluxo em espiral causando a sedimentação das partículas para posterior recolhimento. A outra parte do ciclone é responsável pela saída do ar de secagem (Figura 3).

A composição da parede e as técnicas de microencapsulação podem determinar propriedades funcionais e potenciais aplicações dos componentes encapsulados. A microencapsulação por spray drying vem sendo muito utilizada para compostos sensíveis ao calor como alguns compostos fenólicos, probióticos e vitaminas.

– Material de parede

Um fator importante na microencapsulação é a seleção do material de parede ideal. Esse material deve possuir algumas características como alta estabilidade, alta atividade emulsificante e tendência a formar uma boa rede sendo capaz de evitar a separação do material do núcleo durante o processo de secagem (13). Além disso, outras características como estrutura molecular, propriedades do filme, estabilidade da emulsificação, propriedades reológicas, tamanho das gotículas, teor de água, rendimento, eficiência,  distribuição de tamanho de partícula, densidade aparente são fatores decisivos que afetam as características da microcápsula (6).

Geralmente, os sistemas de parede de microencapsulação podem ser divididos em duas categorias: material de parede do tipo único (carboidratos, proteínas ou gomas hidrofílicas) e materiais de parede do tipo misto. Os mecanismos de microencapsulação por trás da formação da estrutura parede/núcleo são diferentes de acordo com a classificação dos materiais da parede, bem como os componentes do núcleo (6).

Dentre os materiais de parede mais utilizados, encontram-se a gelatina que pertence ao grupo das proteínas. É um material biodegradável derivado do colágeno que pode ser obtido a partir da hidrólise ácida ou alcalina. Na extração ácida, a gelatina obtida é classificada como Tipo A, apresenta ponto isoelétrico entre pH 7 e 9. Na hidrólise alcalina, o produto é denominado gelatina Tipo B, apresenta ponto isoelétrico entre pH 4,7 e 5,5 (6)(14).

A gelatina ainda é a principal opção comercial como material de parede devido à sua excelente solubilidade em água, capacidade de emulsificação, espessamento e alta atividade de reticulação, isso se deve à presença de grupos amino primários (15). A estrutura polipeptídica da molécula de gelatina facilita suas interações com outros polímeros carregados com carga elétrica oposta, o que a torna um importante material de parede (16). Entretanto, as soluções encapsulantes contendo gelatina, mesmo em baixas concentrações, apresentam alta viscosidade que pode acarretar em problemas durante a secagem no spray dryer.

Outro material de parede muito utilizado por spray drying é a maltodextrina devido ao seu baixo custo, baixa viscosidade em alta concentração de sólidos, sabor neutro e boa proteção contra oxidação, com baixa capacidade de emulsificação (17). Esse material de parede consiste em um amido hidrolisado produzido a partir da hidrólise parcial de amido com ácido ou enzimas, constituído por unidades D-glicose unidas por ligações glicosídicas (1,4). Elas podem ser classificadas pelo seu grau de hidrólise, expresso em dextrose equivalente (DE), que é a porcentagem de açúcares redutores calculada como glicose em relação ao seu peso seco de amido (18).

Gomas como a goma carragena, goma xantana e goma guar também são utilizadas na microencapsulação por spray drying. As carragenas são polissacarídeos neutros extraídos de algas vermelhas (Rhodophyta) em três tipos distintos de carragenina comercial (κ-, ι- e λ-carragenina) apresentando diferenças em suas estruturas e propriedades químicas (19). A goma xantana também é muito utilizada, esse material de parede consiste em um polissacarídeo extracelular de alto peso molecular que é produzido através da fermentação da bactéria Xanthomonas campestres (20). Possui algumas características como um material incolor, insípido, inodoro, estabilidade em altas temperaturas e em condições ácidas (21).

O nível de rendimento e eficiência da microencapsulação são parâmetros importantes para verificar se os materiais de parede utilizados são adequados, pois interferem diretamente no grau de incorporação do material do núcleo e a qualidade do produto. No geral, os materiais de parede utilizados para microencapsulação de compostos sensíveis como vitaminas e probióticos devem apresentar características que proporcionam maior estabilidade do composto, que sejam seguros para o consumo, apresentem alta solubilidade, baixa higroscopicidade, fácil disponibilidade e com baixo custo viabilizando a aplicação na indústria.

– Microencapsulação de compostos sensíveis como as vitaminas e o probióticos

A incorporação de compostos sensíveis como vitaminas e microrganismos probióticos nos alimentos pode ser considerado como um desafio para a indústria alimentícia devido às diferentes condições de processamento e armazenamento que são capazes de alterar esses compostos. Dessa forma, a microencapsulação tornou-se uma alternativa para reduzir os efeitos gerados nas etapas de processamento e aumentar a aplicabilidade de vitaminas e probióticos em processos alimentícios.

Guo et al. (22) realizaram a microencapsulação de Lactiplantibacillus plantarum por spray drying e avaliaram os efeitos protetores durante o processamento de alimentos em condições simuladas. Os autores utilizaram como material de parede isolado protéico de soro de leite (WPI) e conjugados de dextrana (DX). Após a avaliação, foi relatado que encapsulado apresentou maior sobrevivência no produto durante o armazenamento sob condições de refrigeração (4 °C).

Em outro estudo, Barajas-Álvarez et al. (23) microencapsularam Lacticaseibacillus rhamnosus HN001 por spray drying utilizando diferentes materiais  de parede como goma arábica, frutanos de agave, maltodextrina, inulina e trealose. As microcápsulas produzidas mostraram alta eficiência de encapsulamento, 84% a 93%. Além disso, a microencapsulação foi capaz de proteger o probiótico durante o armazenamento por 8 semanas. A viabilidade do probiótico se manteve estável durante a simulação gastrointestinal simulada in vitro, prolongando sua vida de prateleira sem comprometer os efeitos benéficos à saúde.

Uma alternativa para melhorar a estabilidade de probióticos durante o processo de secagem é a adição de prebióticos. Homayouni-Rad et al. (24), microencapsularam Lacticaseibacillus casei em microcápsulas de mucilagem de sementes de Alyssum homolocarpum (AHSM) e inulina e os autores compararam os resultados obtidos com a célula livre (não encapsuladas). Os resultados mostraram que o AHSM, como uma nova goma e a inulina, como um ingrediente prebiótico, podem fornecer condições adequadas para a viabilidade de L. casei sob a alta condição térmica do spray dryer e o efeito adverso das soluções gástricas e biliares quando comparado com os resultados obtidos na célula livre.

Estevinho et al. (12) realizaram a microencapsulação de vitamina B12 utilizando um polímero de carboidrato extracelular isolado a partir cianobactéria marinha Cyanothece sp. como agente encapsulante empregando a técnica de Spray Drying. Foi observado neste estudo que os sistemas de liberação controlada melhoraram a aplicação de vitaminas em produtos alimentícios.

A vitamina A é um composto bioativo responsável por inúmeras funções no organismo e extremamente benéfica, entretanto apresenta alta sensibilidade em condições adversas e insolubilidade em água, constituinte principal dos alimentos, tais fatores inviabilizam sua incorporação nos produtos funcionais. Ribeira et al. (3) microencapsularam vitamina A por spray drying  utilizando misturas binárias e ternárias de maltodextrina, goma arábica e amido. As micropartículas produzidas apresentaram rendimento do produto entre 7-39% e eficiência da encapsulação entre 88-98%. Foram produzidas micropartículas viáveis e independentes do agente utilizado, sendo a mistura ternária a combinação de materiais de parede que apresentou a melhor eficiência e tornou-se a melhor escolha para futuras formulações de produtos funcionais com adição de vitamina A.

A vitamina E consiste em um composto lipossolúvel com diferentes propriedades terapêuticas que vem sendo muito citado em pesquisas recentes. Uma vez que esta vitamina não pode ser sintetizada pelo corpo humano, sua necessidade diária é normalmente suprida por uma nutrição adequada que envolve a ingestão de certos alimentos, como legumes, frutas e cereais. Entretanto, algumas condições ambientais adversas como altas temperaturas, luz, oxigênio e condições alcalinas, que juntamente com a baixa solubilidade em água impossibilita seu consumo direto ou aplicação em produtos funcionais (25).

Ribeiro et al. (26), avaliaram a eficiência da microencapsulação de vitamina E por spray drying utilizando como material de parede diferentes biopolímeros. Todos os resultados obtidos comprovaram que a vitamina E pode ser protegida eficientemente através do encapsulamento por spray drying, com micropartículas com diferentes morfologias, tamanhos e comportamentos de liberação de acordo com o agente encapsulante utilizado nas formulações iniciais.

Bajaj et al. (27), realizaram a co-encapsulação de vitamina B12 e vitamina D3 por spray drying utilizando diferentes materiais de parede. Após a otimização das combinações, a solução de goma acácia e maltodextrina proporcionou os melhores resultados com partículas esféricas de superfície lisa, além disso, essa combinação proporcionou a estabilidade das vitaminas. Durante o in vitro, o mecanismo de liberação apresentou uma liberação lenta para ambas as vitaminas. As microcápsulas coencapsuladas mostraram biodisponibilidade melhorada em 151% para vitamina B12 e 109% para vitamina D3 quando comparada com o controle. Dessa forma, o encapsulamento simultâneo de vários compostos bioativos para desenvolver um sistema de co-entrega oferece vários benefícios à saúde, pois fornece um ganho duplo para adição em diferentes produtos.

Dessa forma, é possível verificar a importância de técnicas como a microencapsulação capazes de viabilizar a adição de vitaminas aos alimentos afim de complementar a alimentação diária e promover ainda mais benefícios à saúde. A indústria buscar atender a demanda do consumidor que está cada vez mais preocupado com os hábitos alimentares e a saúde. Assim, a microencapsulação de compostos sensíveis por spray dryer é uma alternativa para aumentar a oferta de produtos funcionais no mercado.

CONCLUSÕES

A técnica de microencapsulação por spray drying pode ser entendida como a preparação de microcápsulas em forma de pó e consiste em um importante método para a estabilização de compostos sensíveis como os probiótios e as vitaminas. Assim, a parede protetora ao redor do composto encapsulado promove maior estabilidade do núcleo durante as etapas de processamento do alimento como formulação e tratamento térmico, durante o período de armazenamento e também em relação às condições adversas do sistema gastrointestinal. Dessa forma, a microencapsulação por spray dryer pode ser considerada como uma alternativa para indústria que tem interesse em inserir novos alimentos funcionais no mercado e aumentar a gama de produtos capazes de promover benefícios à saúde como redução do risco de doenças e bem-estar. 

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq.

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