Microencapsulamento de compostos bioativos da uva (Vitis labrusca L.) e efeito do tratamento pós-colheita com UV-C em uvas Bordô

Abstract

O Rio Grande do Sul é o maior produtor de uvas do Brasil, e as cultivares de Vitis labrusca representam mais de 90% da produção, dentre as quais se destacam as variedades Isabel e Bordô, que se caracterizam por conter altas concentrações de polifenóis, principalmente antocianinas, que exibem propriedades antioxidantes e que podem ser usados como corantes em alimentos. Entretanto, a utilização destes compostos em alimentos se torna difícil devido à sua alta instabilidade, e uma das formas de proteger estes compostos das condições adversas do meio é a microencapsulação. O bagaço da uva, proveniente da fabricação de sucos e vinhos, contém uma elevada concentração de polifenóis, e é composto em grande parte pela casca da uva. Dessa forma, este trabalho de Tese, teve como primeiro objetivo a extração dos polifenóis da casca das uvas Isabel e Bordô, e seu microencapsulamento utilizando diferentes materiais de parede, o qual foi dividido em três etapas. Na primeira etapa, foi realizada a separação dos compostos fenólicos mediante extração aquosa em meio ácido da casca de uva Isabel. A seguir, o extrato foi submetido à atomização para obtenção das micropartículas, utilizando goma arábica, β-ciclodextrina e hidroxipropil-β-ciclodextrina como agentes encapsulantes, combinadas em concentrações máximas de 5%. Os pós obtidos foram avaliados quanto aos fenóis totais, antocianinas monoméricas totais, flavonoides, flavanols, atividade antioxidante (DPPH, CUPRAC e HRSA), cor, umidade, atividade de água, solubilidade, higroscopicidade, temperatura de transição vítrea e microestrutura. De forma geral, os pós obtidos apresentaram alta higroscopicidade e baixa temperatura de transição vítrea, além de aglomeração das partículas. O tratamento elaborado com 3% de goma arábica e 2% de β-ciclodextrina foi considerado o melhor, com maior retenção de flavonoides (67,2%), flavanols (51,1%), atividade antioxidante por DDPH (55%) e CUPRAC (58,8%), menor higroscopicidade (17,33%) e maior temperatura de transição vítrea (32,85 °C). Na segunda etapa, o extrato fenólico aquoso acidificado da casca de uva Bordô foi atomizado e liofilizado para a obtenção das micropartículas, utilizando goma arábica, goma guar parcialmente hidrolisada e polidextrose, em um total de 10% de material de parede. Os pós obtidos foram avaliados quanto ao conteúdo de fenóis totais, antocianinas monoméricas totais, atividade antioxidante (DPPH, CUPRAC, HRSA), cor, umidade, atividade de água, solubilidade, higroscopicidade, temperatura de transição vítrea, tamanho de partícula e microestrutura. Foram obtidas altas retenções, maiores que 80% para fenóis totais e antocianinas monoméricas totais, e entre 45 e 84% para atividade antioxidante em todos os tratamentos estudados. Os pós atomizados tiveram menor umidade, atividade de água e tamanho de partícula, maior solubilidade e temperatura de transição vítrea, além de melhores características morfológicas do que os pós liofilizados. O pó obtido por atomização com 5% de goma guar parcialmente hidrolisada e 5% de polidextrose foi considerado o melhor tratamento, visto que teve maior retenção de fenóis totais (89,0%), antocianinas monoméricas totais (99,5%) e atividade antioxidante por DPPH (57,3%) e CUPRAC (83,2%). Na terceira etapa, dispersões de extrato de casca de uva Bordô com 5% de goma guar parcialmente hidrolisada e 5% de polidextrose, que foi considerado o melhor tratamento dentre todos os elaborados com uva Isabel e Bordô, foram atomizadas e liofilizadas para obtenção das micropartículas, que foram submetidas a testes acelerados de armazenamento (umidades relativas de 75 e 90% em temperaturas de 35, 45 e 55 °C) e de simulação de digestão gastrointestinal (divididos em duas fases: fase gástrica e fase intestinal). Foram avaliados os conteúdos de fenóis totais, antocianinas monoméricas totais e atividade antioxidante por ABTS. Quanto às provas aceleradas, a temperatura teve um efeito significativo na diminuição no conteúdo de fenóis, com retenções de 82,5% a 93,5%. Na redução do conteúdo de antocianinas monoméricas totais foi significativo o efeito da temperatura, umidade relativa e tempo, com retenções de 3,9 a 42,3%. A redução do teor de antocianinas monoméricas totais exibiu cinética de primeira ordem, e os valores de z e Ea indicaram que o pó liofilizado é mais instável às mudanças de temperatura, quando utilizadas temperaturas mais elevadas. Por outro lado, os valores de D e t1/2 foram muito próximos entre os dois pós, o que indica pouca diferença de estabilidade entre eles nas temperaturas utilizadas neste estudo. Os parâmetros termodinâmicos indicaram que a reação foi endotérmica e não espontânea. A atividade antioxidante teve comportamento similar ao dos fenóis totais, com retenção final de 38,5 a 59,5%. Quanto à simulação da digestão gastrointestinal os dois pós tiveram liberação de fenóis de aproximadamente 80% na fase gástrica, e aumento significativo da liberação na fase intestinal, onde, na última hora de experimento, o pó atomizado teve 90,6% de liberação e o liofilizado 94,9%. Comportamento similar foi observado para a atividade antioxidante, onde o pó atomizado e o pó liofilizado tiveram percentuais próximos a 50% na fase gástrica e aumento significativo na fase intestinal, onde na última hora do experimento o pó atomizado teve 69,4% da atividade antioxidante e o pó liofilizado 67,8%. Entretanto, as antocianinas monoméricas tiveram redução significativa de aproximadamente 50% do seu conteúdo na fase intestinal, onde, na última hora de experimento, o pó atomizado teve 39% de liberação e o liofilizado 39,8%. O método de obtenção das micropartículas não influenciou na estabilidade dos pós, tanto nos testes acelerados de armazenamento quanto na simulação da digestão gastrointestinal. Como segundo objetivo foi avaliado o efeito da irradiação UV-C em uvas Bordô, como tratamento pós-colheita. Foram estudadas duas safras de anos diferentes, sendo que na primeira as uvas foram submetidas a 0, 0,5, 1, 4, 10 e 30 minutos de irradiação (120 W) e armazenadas a 22 °C, enquanto que na segunda safra as uvas foram submetidas à irradiações com UV-C (120 W) por 0, 0,5 e 4 minutos, combinada com ultrassom (40 kHz) por 5 minutos e armazenadas a 22 °C. Na primeira safra, as uvas não apresentaram aumento dos compostos bioativos e da atividade antioxidante. Entretanto, na segunda safra, os resultados indicaram o aumento significativo no conteúdo de fenóis totais, antocianinas monoméricas totais e na atividade antioxidante para as uvas irradiadas por 0,5 minutos com UV-C e para as irradiadas com UV-C por 4 minutos em combinação com ultrassom por 5 minutos, com aumentos de 1,2 a 2,0 vezes em relação ao controle, não havendo mudanças significativas na cor das uvas irradiadas.

The state of Rio Grande do Sul, Brazil, is the greatest producer of grapes in the country. Vitis labrusca cultivars constitute more than 90% of production, underscoring Isabel and Bordô varieties, featuring high concentrations of polyphenols, especially antioxidant anthocyanins used as food coloring. Since the use of the compounds in food is rather difficult due to their unstableness, microencapsulation is one of the methods to protect the compounds from adverse environmental condition. Grape pomace, the residue from the manufacture of juice and wine, has high polyphenol concentration and is mainly formed by grape skin. Current thesis aims at extracting polyphenols from the skin of Isabel and Bordô grape varieties and their micro-encapsulation by different wall materials. Research was divided into three stages. The first stage comprised the separation of phenolic compounds by water extraction in the acid medium of the skin of the Isabel grape variety. The extract was spray-dried for microparticles by means of gum arabic, β-cyclodextrin and hydroxypropyl-β-cyclodextrin as encapsulating agents at maximum 5% concentrations. Powders were assessed for total phenols, total monomer anthocyanins, flavonoids, flavanols, antioxidant activity (DPPH, CUPRAC and HRSA), color, humidity, water activity, solubility, hygroscopicity, glass transition temperature and micro-structure. As a rule, the powders featured high hygroscopicity, low glass transition temperature and particle agglomeration. Treatment with 3% of gum arabic 3% and 2% of β-cyclodextrin was the best, with the highest retention rate of flavonoids (67.2%), flavanols (51.1%), antioxidant activity, and with DDPH (55%) and CUPRAC (58.8%), lowest hygroscopicity (17.33%) and highest glass transition temperature (32.85 °C). In the second stage the acidified water phenolic extract from the Bordô grape skin was spray-dried and freeze-dried for microparticles with gum arabic, partially hydrolyzed guar gum and polydextrose, with a total 10% of wall material. Powders were assessed for total phenols, total monomer anthocyanins, antioxidant activity (DPPH, CUPRAC, HRSA), color, humidity, water activity, solubility, hygroscopicity, glass transition temperature, particle size and micro-structure. High retentions occurred, with more than 80% for total phenols and total monomer anthocyanins; and between 45 and 84% for antioxidant activity in all treatments under analysis. Atomized powders had lower humidity, water activity and particle size, greater solubility, higher glass transition temperature, and better morphological characteristics than the freeze-dried powders. The powder obtain by spray-dried with 5% of partially hydrolyzed guar gum and 5% of polydextrose was the best treatment due to greater retention of total phenols (89.0%), total monomer anthocyanins (99,5%) and antioxidant activity for DPPH (57.3%) and CUPRAC (83.2%). The third stage comprised dispersions of the extract of the Bordô grape skin with partially hydrolyzed guar gum 5% and polydextrose 5%, or rather, the best treatment among those prepared with Isabel and Bordô grapes. Dispersions were spray-dried and freeze-dried to obtain microparticles which underwent fast storage tests (relative humidity rates 75 and 90% at 35, 45 and 55 °C) and gastrointestinal digestion simulations (divided into two phases: gastric and intestinal phases). Total phenols, total monomer anthocyanins and antioxidant activity for ABTS were evaluated. Fast tests revealed that temperature had a significant effect on the decrease in phenol contents, with 82.5 - 93.5% retentions. Temperature, relative humidity and time were significant on the reduction of total monomer anthocyanin contents, with 3.9 – 42.3% retentions. Decrease in total monomer anthocyanin rates revealed a first order kinetics, whilst z and Ea rates indicated highly unstable freeze-dried powder for changes in temperature when higher temperatures are employed. On the other hand, D and t1/2 rates were very close between the two powders, revealing slight stability difference between the two at temperatures employed in current study. Thermodynamic parameters demonstrated an endothermic and non-spontaneous reaction. Antioxidant activity behaved similarly to total phenols with a final retention between 38.5 and 59.5%. In the case of gastrointestinal digestion simulation, the two powders released 80% phenols during the gastric phase and a significant increase in release during the intestinal phase in which spray-dried and freeze-dried powders had 90.6% and 94.9% release during the last hour of the experiment. A similar behavior was detected for antioxidant activity in which spray-dried and freeze-dried powders featured 50% during the gastric phase and a significant increase during the intestinal one, with 69.4% and 67.8% of antioxidant activity respectively by the spray-dried and freeze-dried powders during the last hour of the experiment. However, monomer anthocyanins had a significant 50% reduction of contents in the intestinal phase in which the spray-dried and freeze-dried powders had 39% and 39.8% release respectively during the last hour of the experiment. The methods for obtaining microparticles failed to affect the stability of the powder in fast storage tests and in gastrointestinal simulation tests. Current research also evaluated the effect of UV-C irradiation on Bordô grapes for post-harvest treatment. Two harvests in two different years were analyzed: grapes of the first harvest underwent 0, 0.5, 1, 4, 10 and 30 minutes irradiation (120 W) and stored at 22 °C, whereas grapes of the second harvest underwent UV-C irradiations (120 W) during 0, 0.5 and 4 minutes, coupled to ultrasound (40 kHz) for 5 minutes and stored at 22 °C. The former did not have any increase in bioactive compounds and antioxidant activity. Results of the latter, however, demonstrated a significant increase in total phenols, total monomer anthocyanins and antioxidant activity for grapes irradiated during 0.5 minutes with UV-C and for those irradiated with UV-C for 4 minutes plus ultrasound for 5 minutes. There was 1.2 - 2.0 times increase when compared to control, with no change in color in the irradiated grapes.