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Este trabalho foi escrito por:

Nataly de Almeida Costa ^*; Vanessa Caroline de Oliveira ; Nicole Marina Almeida Maia ; Maria José do Amaral e Paiva ; Daniele de Almeida Paula ; Daniele Juliana Rodrigues Gonçalves ; Érica Nascif Rufino Vieira

*Autor correspondente (Corresponding author) – Email: [email protected]

Resumo: As antocianinas, corantes naturais solúveis em água, são um composto bioativo pertencente à classe dos flavonoides que estão presentes na alimentação humana através do consumo de alimentos de origem vegetal e têm ganhado cada vez mais atenção devido às suas propriedades antioxidantes e inúmeros benefícios à saúde relacionados ao seu consumo são relatados na literatura. Neste contexto, esta revisão tem como objetivo evidenciar as propriedades das antocianinas como composto funcional, assim como a sua forma de aplicação e encapsulação. Como propriedades funcionais, as antocianinas exercem papel como antioxidantes e antimicrobianas. Apesar de muitas características benéficas das antocianinas, sua instabilidade inerente a alterações de pH, tipos de solvente, temperatura e outras condições ambientais torna a sua aplicação industrial limitada. Esses fatos levaram os pesquisadores a investigar novas formas de processamento afim de reduzir a degradação desse composto. A técnica de microencapsulação é uma possibilidade promissora para estabilizar extratos de antocianinas e permitir sua adição a produtos alimentícios de forma mais estável. Embora existam técnicas eficientes e emergentes, a microencapsulação de antocianinas ainda é um desafio para a indústria alimentícia. O objetivo deste trabalho é fornecer uma visão geral da estrutura das antocianinas, assim como sua absorção no organismo, fatores que afetam sua estabilidade e a alternativas de proteção como a microencapsulação.

Palavras–chave: bioacessibilidade, estabilidade, material de parede, pigmentos, secagem

Abstract: Anthocyanins, water-soluble natural dyes, are a bioactive compound belonging to the class of flavonoids that are present in human food through the consumption of plant-based foods and have gained increasing attention due to their antioxidant properties and numerous related health benefits. to its consumption are reported in the literature. In this context, this review aims to highlight the properties of anthocyanins as a functional compound, as well as its application and encapsulation form. As functional properties, anthocyanins play a role as antioxidants and antimicrobials. Despite many beneficial features of anthocyanins, their inherent instability to changes in pH, solvent types, temperature and other environmental conditions makes their industrial application limited. These facts led researchers to investigate new forms of processing in order to reduce the degradation of this compound. The microencapsulation technique is a promising possibility to stabilize anthocyanin extracts and allow their addition to food products in a more stable way. Although there are efficient and emerging techniques, the microencapsulation of anthocyanins is still a challenge for the food industry. The objective of this work is to provide an overview of the structure of anthocyanins, as well as their absorption in the body, factors that affect their stability and protection alternatives such as microencapsulation.

Key Word: bioaccessibility, stability, wall material, pigments, drying

INTRODUÇÃO

 A cor consiste em um dos atributos que mais influenciam na preferência do consumidor antes de adquirir determinado produto ou consumir um alimento específico. Este parâmetro afeta diretamente o julgamento, sendo utilizada como um dos principais indicadores de qualidade. A utilização de corantes é uma prática comum na indústria alimentícia, para conferir ou realçar a cor dos produtos, tornando-os mais atrativos ao consumidor. Os consumidores fazem uso da cor dos vegetais como uma sugestão para identificar o produto, avaliar a segurança, qualidade e amadurecimento e fazer inferências sobre suas propriedades sensoriais (1).

Com a mudança nos hábitos alimentares, os consumidores estão cada vez mais interessados em produtos com apelo à saúde, compostos por alimentos funcionais capazes de promover benefícios ao organismo. Assim, a aplicação de corantes naturais em produtos alimentícios tornou-se um forte apelo de marketing para as empresas do ramo (2). A cor natural dos alimentos é oriunda principalmente dos carotenóides, antocianinas, betaninas e clorofilas. As antocianinas são pigmentos naturais provenientes de frutas, vegetais e tubérculos com cores vermelhas e roxas e são capazes de melhorar o metabolismo de carboidratos e diminuir o fator de risco de distúrbios metabólicos (3).

No entanto, um dos grandes obstáculos para o uso industrial das antocianinas adicionada em matrizes alimentícias são os efeitos do processamento e o baixo rendimento de extração. Isso devido a estabilidade química desse composto, pois é altamente sensível à temperatura, pH, umidade, luz, íons metálicos, digestão enzimática e interações com copigmentos (4,5). Além das etapas de processamento, o sistema gastrointestinal também é um ponto crítico pois as antocianinas são absorvidas pelas células epiteliais do intestino delgado, processo dificultado devido às alterações de pH durante a passagem pelo sistema gastrointestinal. Assim, algumas alternativas são necessárias para preservar e reduzir a degradação das antocianinas durante as etapas de processamento e também garantir melhor viabilidade e capacidade antioxidante durante a digestão (6).

 A técnica de microencapsulação é uma alternativa para manter a estabilidade das antocianinas. A encapsulação vem sendo muito utilizada para corantes naturais nos últimos anos, devido a capacidade de proporcionar maior estabilidade das antocianinas durante as etapas de processamento de alimentos devido à proteção por material de parede. Esses materiais são responsáveis por limitar a interação do núcleo contendo as antocianinas com o ar e outros constituintes dos alimentos. Essa técnica também minimiza os efeitos das altas temperaturas nos corantes, a redução da atividade de água (que reduz o crescimento microbiano e os custos de armazenamento e transporte) além de permitir o uso desses compostos em alimentos nos quais seriam incompatíveis devido ao pH ou condições de solubilidade (7,8).

Diante do exposto, este trabalho tem como objetivo evidenciar as características das antocianinas como corante natural, assim como todas as limitações para a aplicação industrial e a técnica de microencapsulação por spray dryng como alternativa para aumentar a estabilidade do composto.

ANTOCIANINAS COMO CORANTE NATURAL

Os corantes naturais são compostos cromóforos produzidos por plantas, animais ou microrganismos. Essas substâncias possuem características muito diferentes, como cor, estabilidade e solubilidade (9,10). As antocianinas são corantes hidrossolúveis, pertencentes à classe dos flavonoides, responsáveis ​​por uma variedade de cores atraentes de frutas, flores e folhas, variando do vermelho ao azul.

As antocianinas, um grupo flavonoides de compostos polifenólicos que se solubilizam em água, são geralmente compostas por duas ou três frações: uma estrutura básica não glicosilada denominada antocianidina, constituída por uma aglicona, que possui o núcleo principal da molécula e é constituída por três anéis com ligações duplas conjugadas, que representa o constituinte cromóforo (Figura 1); uma ou mais moléculas de açúcar; e muitas vezes uma ou mais moléculas formadas entre um ácido e uma molécula de açúcar (11).

Além disso, é um pigmento potencialmente adequado para ser utilizado para alimentos e cosméticos, e isso se deve a não toxicidade do composto. Além disso, diversas pesquisas sobre antocianinas são estudadas por seus benefícios para a saúde, dentre eles incluem a capacidade antioxidante, prevenção de doenças como câncer, controle do colesterol, glicemia e regulação do peso corporal, neuroproteção, proteção da retina e anti-envelhecimento (12).

Os alimentos de origem vegetal ricos em antocianinas têm relevância farmacológica e aplicação terapêutica devido às suas propriedades antioxidantes (13). Além disso, estudos recentes observaram a relação entre a ingestão alimentar de antocianinas, a proteção contra doenças neurológicas e o controle do declínio das funções cerebrais e cognitivas relacionadas à idade (14), redução do risco de doenças cardíacas; melhora da visão e das funções cerebrais, e exercem um papel anti-inflamatório relacionado a doenças crônicas, como obesidade e diabetes pela modulação da microbiota, sendo que os agentes anti-inflamatórios também podem atuar como agentes anticancerígenos (15).

ESTABILIDADE DAS ANTOCIANINAS

As antocianinas possuem funções nutricionais e fisiológicas, como fortes antioxidantes. No entanto, a biodisponibilidade e o potencial comercial das antocianinas são amplamente limitados devido à estrutura instável, o que os torna altamente sensíveis à degradação bioquímica e química (16). Em geral, a antocianina é um dos pigmentos naturais mais instáveis quando comparada com os carotenoides e as clorofilas. Essa instabilidade é frequentemente definida quantitativamente com relação aos índices como a constante da taxa de degradação (K), constante de taxa de mudança de cor (K _c), taxa de retenção de antocianina (R_c), energia de ativação (E_a) e parâmetros uniformes do espaço de cores CIELAB (a*, b*, L*, C*, H e ΔE) (17).

Dentre os fatores que afetam a estabilidade das antocianinas a temperatura é considerada um dos mais influentes na estabilidade dos pigmentos. O efeito da temperatura na concentração de antocianina em alimentos tem sido explorado sob diferentes pontos de vista; durante o processamento, armazenamento, maturação e outros. Em geral, uma diminuição desse composto foi observada com mais frequência quando tem contato com a alta temperatura (18).

Os pigmentos de antocianina são sensíveis ao aquecimento do processamento de alimentos. No processamento de alimentos, as antocianinas diminuem devido ao tratamento de alta temperatura, conforme relatado durante a secagem ao ar de fatias de morango, a diminuição da antocianina também foi observada nas temperaturas de 60°C (19) e 50°C (20). A temperatura de secagem e as condições do processo são fatores determinantes para preservar o teor total de antocianinas (18).

O processo de degradação das antocianinas é endotérmico e é significativamente afetado pela temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a taxa de degradação das antocianinas aumenta, acompanhada por uma diminuição acentuada do valor da meia-vida (17). O mecanismo de degradação das antocianinas quando submetida a ação térmica foi resumida na Figura 2.

Inicialmente, ocorre o rompimento do anel aromático presente na estrutura, em seguida ocorre a desglicosilação e, consequentemente, geração de produtos como cianidina (ácido 4-hidroxibenzóico, ácido protocatecúico); pelargonidina (ácido protocatecúico, floroglucinaldeído); delphinidina (floroglucinaldeído, ácido gálico); malvidina (floroglucinaldeído, ácido siríngico) e petunidina (floroglucinaldeído, ácido 4-Metoxi-3,5-dihidroxibenzoico) (21).

Dessa forma, certos tipos de variações na estrutura molecular das antocianinas resultam em mudanças em suas cores características (22). Tais variações na cor das antocianinas podem ser afetadas também por alterações do pH do meio, como descrito na Figura 3. O mecanismo básico de mudança de cor das antocianinas pode ser atribuído ao aumento da concentração de aminas voláteis produzidas por bactérias deteriorantes e níveis de pH crescentes resultantes que subsequentemente induzem uma mudança de cor distinguível (23).

Outro fator que influência diretamente na estabilidade das antocianinas é a presença de luz sofrendo sérias descolorações quando são armazenados em um ambiente sem proteção. Este fato revela a sensibilidade das antocianinas à luz e a degradação ou a fotodegradação induzida pela luz. Assim, a taxa de degradação das antocianinas depende solidamente da fonte de luz, intensidade e tempo de irradiação (17). 

No entanto, a principal questão é o ambiente desfavorável presente no trato gastrointestinal, por exemplo, a ampla faixa e flutuação do pH, a presença de várias enzimas e barreiras mucosas que faz com que as antocianinas apresentem bioacessibilidade, permeabilidade de membrana e biodisponibilidade ainda menores. A biodisponibilidade de um determinado composto consiste na estabilidade digestiva, liberação e eficiência de sua passagem transepitelial, e pode ser definida como a quantidade desse composto que é digerido, absorvido e metabolizado pelo organismo (25,13). Dessa forma, não apenas as propriedades físico-químicas são influenciadas e determinadas pelas estruturas químicas das antocianinas, mas também afetam suas propriedades biológicas.

Logo, os efeitos biológicos das antocianinas dependem de diversos obstáculos presentes durante o processo digestivo demonstrados na Figura 4. Nessa representação esquemática, observa-se a degradação e a absorção de antocianinas em diferentes regiões do trato gastrointestinal humano. Na fase oral (boca) encontra-se um pH em torno de 7,4 e a presença de amilases salivares. Posteriormente, no estômago com pH ácido em torno de 1 a 3 e a presença de pepsina, protease, lipase e amilase. No intestino ocorre uma elevação do pH para em torno de 6 a 7. Por fim, o cólon com pH entre 7 e 8. Essas variações de pH influenciam diretamente na estabilidade do composto e, consequentemente, em sua atividade biológica e funcional no organismo.

As antocianinas podem sofrer quatro mecanismos de transporte na camada celular, incluindo (A) difusão passiva: difusão transcelular, (B) difusão passiva: difusão paracelular, (C) transporte mediado por carreadores, (D) transporte mediado por receptores e (E) mecanismo de bomba de fluxo (13).

Dessa forma, quando comparada a quantidade desse composto que é consumida e a quantidade absorvida é mínima, resultando em uma biodisponibilidade muito baixa de aproximadamente 1% da dose inicial é encontrada no plasma humano (13). Esses fatores podem limitar o uso de antocianinas devido à sua alta instabilidade e fácil suscetibilidade à degradação quando expostas a elas. Com isso, vários trabalhos visam proteger as antocianinas e encontrar as condições ideais para manter a maior viabilidade e capacidade antioxidante durante a digestão.  

MICROENCAPSULAÇÃO DE ANTOCIANINAS

A microencapsulação pode aumentar a estabilidade e a bioacessibilidade das antocianinas porque aprisiona as antocianinas (materiais do núcleo) nos materiais de revestimento (materiais da parede) e evita que as antocianinas experimentem diretamente os ambientes adversos (26). A microencapsulação por spray drying é especialmente adequada para a microencapsulação de antocianinas devido às baixas perdas de qualidade, alta eficiência, baixo custo e fácil industrialização (13). Na microencapsulação por secagem por pulverização, a seleção de um material de parede adequado é a etapa crucial porque o material da parede pode afetar o rendimento da produção, morfologia, estabilidade, bem como a retenção e atividades associadas.

O encapsulamento tem finalidade revestir e proteger compostos sólidos, líquidos ou gasosos (27). A microencapsulação consiste em um processo no qual partículas sensíveis são envolvidas por um material de revestimento resistente capaz de formar uma barreira e proteger o ingrediente de interesse. Essa técnica vem sendo cada vez mais estudada na ciência de alimentos com o objetivo de aumentar a estabilidade e controlar a liberação de aromas, corantes, antioxidantes, nutrientes, enzimas, conservantes e microrganismos. As microesferas obtidas através do processo de microencapsulação podem variar o tamanho de um micrômetro a vários milímetros e seu formato varia entre microcápsulas, microesferas ou micropartículas. Essas características dependem da técnica de microencapsulação utilizada.

Sakulnarmrat et al. (28) desenvolveram uma técnica de microencapsulação por meio de um método de secagem em tambor que utilizou uma mistura de goma arábica (AG) e maltodextrina dextrose (MD) equivalente para proteger a entrega de extrato rico em antocianina de repolho roxo. A eficiência de encapsulamento mudou na faixa de 93,65–98,85% e AG:MD com uma proporção de 80:20 ofereceu a maior eficiência de encapsulamento. Todos os encapsulados contendo antocianinas tiveram solubilidades acima de 90%, enquanto as atividades de água (0,313-0,361) e os teores de umidade foram baixos (3,40-4,66%). Além disso, quando a proporção AG:MD de 80:20 foi usada na parede do encapsulamento, o maior teor de antocianina foi de 42,26 mg/100g de amostra foi alcançado. Com relação à estrutura dos encapsulados, a difração de raios-X (XRD) ilustrou padrões de difração relacionados às fases mistas cristalina e amorfa. Com o aumento da dopagem de AG no encapsulamento, a porcentagem da fase cristalina aumentou. A análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou partículas lisas com leve aglomeração quando a proporção AG:MD 80:20 foi usada para encapsular o extrato rico em antocianina de repolho roxo. Com base nos achados das características morfológicas e físico-químicas, os autores concluíram que o uso de AG:MD 80:20 como parede de encapsulamento poderia proteger melhor as antocianinas da degradação.

A estabilidade térmica das antocianinas extraídas da chicória vermelha e depois encapsulado em grânulos de hidrogel de amido teve sua capacidade antioxidante melhorada (≈ 55%) e sua estabilidade térmica foi mantida mesmo armazenado a 65 °C por 12 dias (29).

A microencapsulação por spray drying é especialmente adequada para a microencapsulação de antocianinas devido às baixas perdas de qualidade, alta eficiência, baixo custo e fácil industrialização (13). Na microencapsulação por secagem por pulverização, a seleção de um material de parede adequado é a etapa crucial porque o material da parede pode afetar o rendimento da produção, morfologia, estabilidades, bem como a retenção e atividades associadas.

Dentre os métodos de encapsulamento, a secagem por pulverização é amplamente utilizada na indústria por ser de baixo custo, fácil operação e pode ser realizada em escala industrial (30). Diferentes tipos de materiais de parede têm sido usados ​​para microencapsulação, e a maltodextrinatêm sido comumente usados ​​como material de parede por sua alta solubilidade em água, baixa viscosidade, baixo teor de açúcar e suas soluções são incolores. Além disso, a goma arábica é um polissacarídeo eficaz para produzir emulsões estáveis ​​e pode ser uma boa escolha como material de parede, especialmente no processo de secagem por pulverização (31).

Rosales-Chimal et al., (3) avaliaram condições ótimas para microencapsulação de extrato de antocianina utilizando como material de parede o amido de taro para aumentar a retenção de compostos ativos, o rendimento de secagem, atividade antioxidante, estabilidade e bioacessibilidade. A técnica de microencapsulação utilizada foi o spray drying, e o processo foi otimizado usando o método de superfície de resposta, aplicando a concentração de amido e a temperatura do ar de entrada como parâmetros independentes. As microcápsulas obtidas apresentaram rendimento de secagem de 70,1%, o teor de compostos fenólicos foi de 797,8 mg GAE/g e antocianinas 469,4 mg CE3G/g. Os percentuais de retenção mostraram valores de 60% em compostos bioativos até quatro semanas de armazenamento em condições de armazenamento acelerado. A bioacessibilidade do extrato microencapsulado foi 10% maior do que a observada no extrato sem encapsulamento durante a digestão gastrointestinal. Os resultados deste estudo mostram que o extrato microencapsulado com amido de taro foi capaz de proteger efetivamente durante a digestão e, assim, garantir a estabilidade do composto bioativo durante o armazenamento.

Machado et al. (32), avaliaram a microencapsulação por spray drying de extrato rico em antocianina extraída de repolho roxo para produção de corante natural. Neste estudo, extrato rico em antocianina de repolho roxo (Brassica oleracea L. var. capitata L. f. rubra) foi microencapsulado utilizando como material de parede diferentes concentrações de maltodextrina e goma arábica. Os resultados obtidos demonstraram que os extratos e as micropartículas apresentaram alto teor de antocianinas. O rendimento de micropartículas foi superior a 40%, sugerindo uma alta eficiência de encapsulamento. Além disso, as propriedades físico-químicas satisfatórias foram obtidas para utilizando maltodextrina e goma arábica combinadas na proporção de 25:25. A interação entre os polímeros utilizados na secagem por pulverização foi benéfica, pois a interação entre maltodextrina e goma arábica conferiu às micropartículas melhor estabilidade térmica.

CONCLUSÕES

De acordo com os estudos apresentados, nota-se a importante relevância dos compostos bioativos como as antocianinas para a alimentação humana. Além de proporcionar a coloração aos alimentos, as antocianinas também são capazes de promover benefícios à saúde do consumidor. Entretanto, alternativas como a técnica de microencapsulação são fundamentais para promover a estabilidade do composto durante as etapas de adição na matriz alimentar, processamento ou armazenamento e também durante a passagem pelo sistema gastrointestinal até a sua absorção. Diferentes estudos vêm sendo realizados com objetivo de melhorar a estabilidade desses pigmentos em condições adversas e assim disponibilizar no mercado um corante natural proveniente de vegetais e com inúmeras capacidades funcionais.

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