Complexação de carotenoides de pimentão vermelho com hidroxipropil-β-ciclodextrina: caracterização, avaliação da solubilidade e estabilidade em formulações alimentícias

Carotenoides são pigmentos naturais amplamente distribuídos na natureza, responsáveis pelas cores vermelhas, laranjas e amarelas. São substâncias amplamente estudadas por apresentarem potencial antioxidante e atividade pró-vitamina A. Devido a seu caráter lipofílico, são pigmentos naturais de difícil aplicação em alimentos como aditivos, além de apresentarem alta instabilidade frente a fatores comuns no processamento, como pH, luz, calor e oxigênio. O uso de ciclodextrinas como agentes encapsulantes é recomendado a fim de aumentar a solubilidade dos carotenoides em meio aquoso, e possivelmente, protegê-los dos fatores químicos e ambientais. Portanto, o objetivo deste trabalho foi conduzir a inclusão molecular de carotenoides de pimentão vermelho (Capsicum annuum L.) em hidroxipropil-β-ciclodextrina visando o aumento de sua solubilidade e estabilidade frente a fatores envolvidos no processamento e armazenamento de bebidas isotônicas. A extração dos carotenoides de pimentão vermelho foi realizada por meio de maceração em solvente etanol e água (9:1), seguida de partição com hexano e evaporação em baixa temperatura. O perfil de carotenoides do extrato obtido foi determinado por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE-UV). A inclusão do extrato de pimentão vermelho em hidroxipropil-β-ciclodextrina foi realizada por meio de sonda de ultrassom em quatro proporções (1:4, 1:6, 1:8 e 1:10 v/v). Misturas físicas nas mesmas proporções foram preparadas para efeito comparativo. O extrato de pimentão vermelho, os complexos de inclusão obtidos e as misturas físicas foram caracterizados por espectrofotometria no infravermelho (FT-IR), ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN1H), calorimetria exploratória diferencial (DSC), difusão dinâmica da luz (DLS), espectrofotometria de absorção na região do UV-visível e ensaio de solubilidade. No extrato de pimentão vermelho foram identificados cinco carotenoides, a saber: β-caroteno, β-criptoxantina, 9-cis-β-caroteno, capsantina e 13-cis-β-caroteno. Observou-se que a inclusão molecular foi efetiva para as diferentes proporções de complexo ao compará-las com os resultados das misturas físicas, principalmente pelos resultados dos ensaios de solubilidade, onde foi identificado o aumento de solubilidade em até 660 vezes comparado ao do extrato isolado. Devido à relação custo-benefício, optou-se por dar continuidade aos experimentos com os complexos com proporção 1:6 (m/m). A estabilidade de cor dos complexos e do extrato de pimentão foi avaliada sob o efeito combinado das variáveis pH, tempo e temperatura. Os resultados demonstraram que se pode esperar maior retenção dos parâmetros de cor com o uso do complexo do que com o uso do extrato. A fim de avaliar a estabilidade de cor dos complexos em condições de armazenamento durante 40 dias, foram formuladas bebidas isotônicas adicionadas de complexo ou de corantes artificiais, adicionadas de conservante ou pasteurizadas, submetidas à 10 ou 25 μmol de fótons.m2.s-1, ou armazenadas na ausência de luz. Os resultados revelaram que as amostras armazenadas ao abrigo de luz apresentaram menor variação da cor, tendo as pasteurizadas apresentado melhor resultado. Em conclusão, a inclusão molecular permite o aumento da solubilidade dos carotenoides de pimentão vermelho, permitindo assim a sua aplicação em formulações alimentícias, e atribui o efeito protetor a estes carotenoides frente a fatores inerentes ao processamento de alimentosCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCarotenoids are natural pigments widely distributed in nature, responsible for the red, orange and yellow colors. They are known and studied due to their antioxidant potential and pro-vitamin A activity. However, due to their lipophilic nature and high instability under influence of common processing factors, such as pH, light, heat and oxygen, it is difficult to apply them in food . Use of cyclodextrins as encapsulating agent is recommended in order to increase their aqueous solubility and protect the molecules against chemical and environmental factors. The aim of this study was to perform molecular inclusion of red bell pepper carotenoids (Capsicum annuum L.) in hydroxypropyl-β-cyclodextrin, in order to increase their solubility and stability in front of factors involved in processing and storage of food. The extraction of red bell pepper carotenoids was carried out by soaking in solvent ethanol and water (9: 1), followed by partition with hexane and evaporation at low temperature. In order to characterize the extract obtained, analysis by high performance liquid chromatography was performed (HPLC), identifying β-carotene, β-cryptoxanthin, 9-cis-β-carotene, capsanthin and 13-cis-β-carotene. Inclusion of red pepper extract in hydroxypropyl-β-cyclodextrin was performed using ultrasound probe in four different ratios (1: 4, 1: 6, 1: 8 and 1:10). Additionally, physical mixtures in the same ratios were prepared for comparative purposes. The obtained inclusion complexes, red pepper extract, hydroxypropyl-β-cyclodextrin and physical mixtures were characterized by infrared spectroscopy (FT-IR), nuclear magnetic resonance (1 H NMR), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic light scattering (DLS), UV-visible spectroscopy and solubility assay. Molecular inclusion was effective for the different proportions of the complex, by comparing them with the results of physical mixtures, mainly the results of the solubility tests, where the increased solubility was identified up to 660 times, compared to the pure extract. Due to cost-effectiveness, it was decided to continue the experiment with the 1:6 complex. The color stability of the complex and of red bell pepper extract was evaluated under the combined effect of pH, time and temperature. Results demonstrated greater retention of color parameters using complex than the use of extract. In order to evaluate the stability of complex color storage conditions for 40 days, isotonic drinks added of artificial colors or complex were formulated, adding preservative or pasteurized, subjected to 10 or 25 micromol photons.m2.s-1 or stored in the absence of light. Results showed that the samples stored in the absence of light had less color variation, being the pasteurized the best condition. In conclusion, molecular inclusion allows increasing of solubility, thereby allowing its application in food formulations, and assigns the protective effect for carotenoids against inherent factors in food processing99 f

Produção de nanopartículas de carotenoides de pimentão vermelho: caracterização e aplicação como corante alimentício

Carotenoides são pigmentos lipossolúveis de cores amarela, laranja e vermelha produzidos por vegetais, microrganismos, algas e cianobactérias, conhecidos pelo poder de coloração, capacidade antioxidante e, em alguns casos, atividade pró-vitamina A. Devido a suas funcionalidades, são pigmentos requisitados para aplicação em alimentos, entretanto apresentam como limitação a vulnerabilidade a fatores como luz, pH, oxigênio e altas temperaturas, além de insolubilidade aquosa. A nanoencapsulação é uma alternativa na proteção dos carotenoides frente a fatores externos que levam à sua degradação, promovendo também solubilidade em água. Sendo assim, é objetivo do presente trabalho, conduzir a formação de nanopartículas de carotenoides de pimentão vermelho (Capsicum annuum L.), propiciando sua aplicação em alimentos pelo aumento da dispersibilidade e estabilidade frente ao processamento e armazenamento de alimentos. As nanopartículas foram produzidas por emulsificação com diferentes materiais encapsulantes: proteínas isolada e concentrada do soro do leite, caseinato de cálcio e gelatina bovina, associado à leticina de soja como emulsificante, seguida de liofilização. Os encapsulados foram caracterizados por métodos físico-químicos como cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE-DAD), espectrofotometria no infravermelho (IV-TF), análise termogravimétrica (ATG), difusão dinâmica da luz (EDL), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (MFA), teste de dispersibilidade aquosa, avaliação da cor instrumental e eficiência de encapsulamento, a fim de determinar o desempenho dos materiais encapsulantes. Subsequente a escolha do encapsulante, um planejamento experimental foi conduzido para otimização da produção das nanopartículas com menor tamanho, utilizando como variáveis independentes os percentuais de lecitina de soja, proteína encapsulante e velocidade do ultradispersor. A estabilidade de cor das nanopartículas foi avaliada através de sua aplicação em um sistema modelo aquoso utilizando como variáveis independentes os percentuais de açúcar, ferro, tempo e temperatura de aquecimento e pH. Além disso, a aplicação das nanopartículas em pós para sobremesa tipo flan foi conduzida a fim de avaliar a estabilidade de cor durante 140 dias de armazenamento. Observou-se que todas as formulações obtidas foram capazes de promover a encapsulação dos carotenoides e a dispersão destes em água, com tamanhos de partícula variando entre 100 e 400nm. A proteína isolada do soro do leite demonstrou menor tamanho de partícula e maior potencial zeta, sendo esta eleita para a continuidade dos demais experimentos. O planejamento para otimização do tamanho de partícula demonstrou que as variáveis percentual de proteína e de emulsificante apresentaram efeito significativo sobre a resposta. Nos testes de variação da cor observou-se a prevalência do pH como principal variável a exercer efeito significativo sobre todos os parâmetros de cor. Em relação ao teste de estabilidade de cor dos flans, não houve diferença significativa nos parâmetros de cor entre o tempo 0 e 140 dias. Além disso, após 1 dia de refrigeração, não foi observada variação significativa da corindicando que nas condições delimitadas a cor conferida pelas nanopartículas mostrou-se estável. Em conclusão, a nanoencapsulação promovida permitiu o aumento da dispersibilidade dos carotenoides em água, além de proporcionar alta estabilidade de cor em produto alimentício em pó, mostrando-se uma alternativa promissora para a aplicação de carotenoides em alimentos.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCarotenoids are fat-soluble, yellow, orange and red pigments widespread distributed in nature. Due to its high coloring power, pro-vitamin A activity and antioxidant capacity, they are requested for food applications as colorant. Once isolated, vulnerability to factors such as light, pH, oxygen, high temperatures and liposolubility impairs viability as a food additive, mainly in water-based food. Nanoencapsulation is a promising alternative for protecting carotenoids from external factors that lead to their degradation, also promoting their solubility in water or even their bioaccessibility. Therefore, the aim of the present work is to conduct the formation of nanoparticles of red bell pepper carotenoids (Capsicum annuum L.), enabling their application in foods by increasing solubility and stability in face of food processing and storage. Nanoparticles were produced by emulsification with different encapsulating materials: isolated and concentrated whey proteins, calcium caseinate and bovine gelatin, using soy lecithin as emulsifier, followed by freeze-drying. Formulations were characterized by physical-chemical methods such as high-performance liquid chromatography (HPLCDAD), non-infrared spectrophotometry (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy (AFM) , aqueous dispersibility test, evaluation of instrumental color and encapsulation efficiency in order to determine encapsulating materials performance. Experiments were planned to optimize the production of nanoparticles with smaller particle size. In sequence, nanoparticles color stability were evaluated under the combined effect of pH, temperature, time, sugar percentual and ferrous iron percentualand applied in flan type powders dessert during 140 days-storage.All the formulations were able to promote the carotenoid encapsulation and dispersibility in water,however, whey protein isolated samples showed the smallest particle size, being selected to conduce follow experiments. Particle size experimental planning demonstrated that percentage variables of protein and emulsifier significantly affects response. Thereafter, color tests demonstrated that pH significantlyaffected all color parameters, followed by sugar content and heating time. Regarding the color stability test of the flans, there was no significant difference in the color parameters between time 0 and 140 days, suggesting that nanoparticles were stable at the experimental conditions proposed. In conclusion, nanoencapsulation allows to increase the dispersibility of carotenoids in water, besides offering high color stability in powdered food products, showing a promising alternative to the application of carotenoids in foods.132 p

Nanoencapsulation of Red Bell Pepper Carotenoids: Comparison of Encapsulating Agents in an Emulsion Based System

Red bell pepper extract rich in carotenoids was (RBPE) encapsulated with four different encapsulating agents: calcium caseinate (ECC), bovine gelatin (EBG), whey proteins isolate (EWPI), and concentrate (EWPC), aiming to investigate the most effective material to coat and enable the water dispersibility of pigments. Formulations were obtained by the oil in water (O/W) emulsification technique, followed by freeze-drying. Samples were analyzed by encapsulation efficiency, high-performance liquid chromatography (HPLC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy (AFM), thermogravimetric analysis (TGA), dispersion stability, and CIELab. Nanoformulations showed a carotenoid encapsulation efficiency of 54.0% (ECC), 57.6% (EWPI), 56.6 % (EWPC), 64.0 % (EBG). Recovered carotenoid profiles from nanoformulations showed similarity to the RBPE, indicating the efficiency of the encapsulation process. Average particle sizes of approximately 109 nm (ECC), 71 nm (EWPI), 64 nm (EWPC), and 173 nm (EBG) were obtained. AFM revealed that all formulations exhibited spherical forms and a heterogeneous distribution profile. Regarding TGA, formulations presented similar thermal behaviors to and lower decomposition speeds than RBPE, suggesting improved thermal stability. Powder formulations were easily dispersed in water (8 mg/mL) and presented intense color and stability to sedimentation for 48 h. Results indicated that all formulations and the chosen technique efficiently increased carotenoid dispersibility in water, indicating their potential to be applied as natural food pigments