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

BIOPOLÍMEROS

Juliana Q. Albarelli1*, André Macumoto1, Lisa C. Carvalho1, Diego Tresinari dos Santos2, Maria Angela A. Meireles2, Marisa M. Beppu1

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, tornando-

os 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].

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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.

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Obtenção das esferas de alginato

Esferas de alginato foram obtidas através do gotejamento de solução de alginato de sódio

1,5% em solução de CaCl2 0,5M, utilizando uma seringa e agulha (1,5 polegadas). As esferas

formadas permaneceram em solução de CaCl2 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 CaCl2 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 mo 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 – mo)/mo] 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

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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.

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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.

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

pH 2,4 pH 7 pH 7,4

Taxa de Intumecimento

Alginato

Alginato + Quitosana

Alginato + Acetato

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-

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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 CaCl2 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

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