CAMADA DE ESPUMA

[001 ]. Refere-se ao processo de obtenção de quitosana (tamanho da partícula maior que l OOnm) e nanoquitosana (partícula com tamanho variável de 10 a l OOnm) em espuma seca e/ou em pó, utilizando a técnica de secagem em camada de espuma. O material resultante pode ter aplicação em diversas áreas como biomédica, alimentos, cosméticos, suplementos alimentares, química, processos mecânicos, entre outras.

Campo da Invenção

[002]. Adição de ovoalbumina, agentes emulsificantes a base de glicerídeos e ácidos graxos ou outro agente espumante para obtenção de espuma de quitosana e nanoquitosana destinadas a secagem em camada de espuma, visando a obtenção da espuma seca ou de um pó como produto final, está relacionado ao campo técnico da secagem/desidratação de produtos de origem animal. A utilização dos agentes espumantes/emulsificantes juntamente à técnica de secagem é uma prática encontrada na área de alimentos que podemos observar nos seguintes artigos: secagem por camada de espuma da albumina (DJAENI, M.; PRASETYANINGRUM, A.; SASONG O, S. B.; WIDAYAT, W.; Hll, C. L. 2015, Journal of Food Science Technology, v. 52, n. 2, p. 1 1 70-1 1 75); camarão seco pelo método de camada de espuma (AZIZPOUR, M.; MOHEBBI, M.; KHODAPARAST, M. H. H.; VARIDI, M. 2014, Drying Tecnology: An International Journal, v. 32, p. 374-384); polpa de fruto do mandacaru (MELO, K. S.; FIGUEIREDO, M. F.; QUEIROZ, A. J. M.; FERNANDES, T. K. S.; BEZERRA, M. C. T. 2013, Revista Caatinga, v. 26, n. 2, p. 10-1 7.); suco de yacon (FRANCO, T. S.; PERUSSELLO, C. A.; ELLENDERSEN, L. S. N.; MASSON, M. L. 2015, Journal of Food Engineering, v. 158, p. 48-57). [003]. Cons†i†ui-se de um pedido de patente sobre o processo de obtenção de uma espuma obtida a partir da quitosana e da nanoquitosana utilizando emulsificantes, ou proteínas, ou qualquer outro composto como agente espumante e a incorporação de ar por batimento/agitação, sendo a característica essencial desta espuma a estabilidade suficiente para possibilitar o processo de desidratação por camada de espuma em estufa convectiva a pressão atmosférica ou em estufa a vácuo com subsequente formação de um pó solúvel em meio aquoso ou qualquer outro veículo e que apresente suas qualidades físico-químicas preservadas, para formação de membranas, filmes, permitindo o seu uso puro ou sua utilização como ingrediente em formulações ou mesmo a utilização do produto da secagem, a espuma seca formada e seus derivados, antes de sua transformação em pó.

Fundamentos da Invenção e Estado da Técnica

[004]. O processo de desidratação e transformação de derivados de origem animal, como processamento pós-abate, garante um produto com baixo teor de água, maior estabilidade e estocagem prolongada em condições de temperatura ambiente (HATAMIPOUR, M. S., AZEMI, H. H., NOORALIVAND, A., NOZARPOOR. Food and Bioproducts Processing, v.85, p.1 71 -1 77, 2007).

[005]. Durante as últimas décadas muitas pesquisas têm sido realizadas para a melhoria da qualidade dos produtos desidratados, especialmente ovos, leite, carnes (PAWAR, D. P.; DAS, R. M.; MODI, V. K.. Journal of Food Science and Technology, v. 49, n. 4, p.475-81 , 2012; HAMMES, M. V.; ENGLERT, A. H.; NORENA, C. P. Z.; CARDOZO, N. S. M. Powder Technology, 06/2015) . Uma das abordagens mais estudadas para o melhoramento da secagem consiste em aumentar a transferência de calor, diminuir a temperatura do processo e expandir a estrutura porosa do produto. Sendo assim, a desidratação de materiais utilizando o método de camada de espuma proporciona estas características tanto ao processo como ao produto. Devido à estrutura porosa das espumas formadas, a transferência de massa é aprimorada reduzindo o tempo de secagem e consequentemente formando produtos com melhor qualidade (FRANCO et al., 2015) .

[006]. A secagem de materiais por camada de espuma vem sendo utilizada desde 191 7 quando Campbell patenteou este método para a secagem de espuma de leite evaporado, seguido pelas patentes de secagem de espuma de albumina por Mink em 1939. Entre 2000 e 2010, esta tecnologia relativamente antiga recebeu uma renovada atenção por conta de suas características distintas, tais como curto tempo de secagem, a possibilidade de processamento de produtos de difícil desidratação e reduzido custo.

[007]. O método de secagem por camada de espuma foi desenvolvido com o objetivo de aumentar a taxa de secagem de alimentos líquidos e semilíquidos a partir de uma maior área de superfície exposta ao ar de secagem. Este método envolve a incorporação de um agente espumante em alimentos líquidos ou pastosos com subsequente batimento para formação de uma espuma estável (FALADE, K. O., ADEYANJU, K. I., UZO-PETERS, P. I. European Food Research and Technology, v.217, p.486-491 , 2003) .

[008]. Na maioria das vezes a espuma formada é disposta sobre bandejas em finas camadas e seca por corrente de ar a pressão atmosférica (FALADE et al., 2003) .

[009]. A espuma é definida como uma dispersão coloidal na qual o gás é disperso em uma fase liquida contínua. Entre as bolhas de ar da espuma, que tem tamanho variando de 10 μΐτι até vários milímetros e com densidade de 300 a 600 kg.nr ³ , encontram-se finos filmes líquidos denominados lamelas (SANGAMITHRA, A., SIVAKUMAR V., SWAMY, G. J.; KANNAN, K. Journal of Food Processing and Preservation, 2014) .

[010]. Durante a secagem por camada de espuma as bolhas da massa de espuma são expostas por sua grande área superficial para a evaporação da umidade. A formação de espuma torna a massa para secagem extremamente porosa e mais favorável para a secagem do interior da camada. Esta técnica pode ser usada para produtos sensíveis ao calor, viscosos, pegajosos e com alto teor de carboidratos. A perda de umidade através dos poros da espuma faz com que a secagem de uma camada de espuma seja aproximadamente três vezes mais rápida do que a secagem de uma camada similar de liquido (SANGAMITHRA et al., 2014).

[01 1 ]. Neste processo a desidratação é rápida, à baixa temperatura, gerando um produto final com cor e sabor superiores àqueles obtidos por processos convencionais de secagem, devido ao mínimo dano causado pelo calor e a reidratação em água ser quase instantânea, proporcionada pela fina granulometria do pó obtido e por sua estrutura porosa no formato de colmeia (RAJKUMAR, P., KAILAPPAN, R., VISWANATHAN, R., RAGHAVAN, G. S. V. Journal of Food Engineering, v. 79, p.l 452-1459, 2007) .

[012]. As vantagens de produtos secos pelo método de camada de espuma consistem em alta estabilidade contra deterioração microbiológica e às reações químicas e bioquímicas; redução de custos com manuseio, embalagem, armazenamento e transporte; retenção de cor, sabor e vitaminas; melhoria das características nutricionais e sensoriais; isenção do sabor/odor de torrado e, além da fácil reidratação, fácil homogeneização na solução de reidratação (RAJKUMAR et al., 2007).

[013]. Apesar das vantagens apresentadas pela metodologia de secagem em camada de espuma, existe a dificuldade de adequar o método à pouca estabilidade mecânica/térmica da espuma durante o ciclo de batimento e/ou aquecimento para obtenção do pó. Se a espuma não se mantém estável, por pelo menos uma hora após o batimento, ocorre o colapso da estrutura porosa, resultando em prejuízos ao processo de secagem e na deterioração da qualidade do produto final, que pode apresentar características inferiores de cor, sabor, odor, valor nutricional e propriedades de solubilidade (SANGAMITHRA et al., 2014).

[014]. As variáveis que afetam a formação, densidade e estabilidade da espuma são influenciadas pela natureza química do produto, pelo percentual de sólidos solúveis, tipo e concentração de agente espumante/estabilizante, interação entre os compostos da solução e os agentes espumantes, bem como o tempo de batimento necessário para a incorporação de ar (SANGAMITHRA et al., 2014).

[015]. O alcance e manutenção da estabilidade da espuma durante o batimento ou na etapa de secagem é um desafio no processo de secagem por camada de espuma, por isso, na formulação de espumas, um dos principais objetivos tecnológicos é a seleção e utilização de um agente espumante/estabilizante, que apresente boa correlação estrutural com a matéria-prima/material de estudo, apropriado para melhorar a estabilidade, além de controlar as taxas de processo que promovem a instabilidade (SANGAMITHRA et al., 2014) .

[016]. A quitosana é um derivado da desacetilação da quitina, o segundo polissacarídeo mais abundante na natureza depois da celulose. Presente no exoesqueleto de crustáceos descartados como resíduo da indústria pesqueira, resíduo estimado em ¼ da produção total (RINAUDO, M. Progress in Polymer Science, v. 31 , n. 7, p. 603-632, 2006). O grau de desacetilação da quitosana encontra-se entre 50 a 100%, esta variação lhe confere diferentes propriedades, como grau de solubilidade, de interação catiônica entre outras, assim como promove características diferentes ao produto em que é utilizada como maior ou menor flexibilidade em filmes.

[01 7]. Com características naturais de polímero catiônico a quitosana possui alta densidade de cargas positivas atraindo e ligando às moléculas predominantemente negativas. Entre as peculiaridades da quitosana, sua estrutura físico-química favorece a formação de géis e filmes, apresenta atividades antimicrobianas e fungistáticas e é solúvel em diluições ácidas (RINAUDO, 2006) .

[018]. Se comparada com outros biomateriais empregados como base de embalagem alimentar, como o amido, polpa de frutas, gelatina de peixe, entre outros, a quitosana tem a vantagem de ter a habilidade de incorporar substancias funcionais como minerais, vitaminas, compostos bioativos, corantes e possuir atividade antibacteriana (RINAUDO, 2006) .

[019]. Como a quitosana é um resíduo industrial, um material natural renovável, biodegradável e com características de formação de filmes e incorporação de substâncias funcionais optamos por usá-la como matéria-prima, com a possibilidade de sua aplicação em diferentes produtos valorizando-a e diminuindo o resíduo industrial.

[020]. A transformação da quitosana em nanoquitosana amplia sua aplicação pela possível modificação de suas propriedades. Nanopartículas são aquelas com tamanho entre 10 a 100 nanômetros (nm), suas características e efeitos são variáveis e diferentes em relação à sua unidade de tamanho original, devido à particularidade de seu tamanho, área de superfície e condição de ligação com demais partículas e elementos do meio. A nanoquitosana pode ser obtida por diferentes métodos, como geleificação iônica, atomização em spray drayer, entre outros (SIVA AMI, M. S.; GOMATHI, L; VEN ATESAN, J.; JEONG, H-K; SUDHA, P. N.. International Journal of Biological Macromolecules, v. 57, p. 204-212, 2013) . Porém, até o momento, não há na literatura a obtenção da nanoquitosana em pó pelo método de camada de espuma.

[021 ]. Esta invenção fornece um novo e melhorado método de formulação de espumas de quitosana e nanoquitosana que sejam estáveis a elevadas temperaturas, que são usualmente utilizadas na secagem de produtos, além de apresentar o método (secagem por camada de espuma) para a secagem da quitosana e da nanoquitosana.

[022]. Este invento também traz como inovação a obtenção de um produto de quitosana e de nanoquitosana em forma de espuma seca e de pó, sendo este último facilmente reconstituído em meio aquoso ou qualquer outro veículo.

Descrição da abordagem do problema técnico

[023]. Pela alta concentração de água no processo de obtenção da quitosana, a desidratação torna-se um processo oneroso, por envolver faixas de temperaturas altas e longos períodos, podendo resultar em um produto final com propriedades e composição físico- química comprometidas pela exposição ao binómio tempo x temperatura envolvidos nos processos convencionais. Por isto a desidratação por camada de espuma é uma alternativa viável para a secagem desta matéria-prima, a solução de quitosana e nanoquitosana.

[024]. Alguns derivados de animais apresentam naturalmente em sua composição proteínas solúveis e glicerídeos e produzem espuma quando submetidos ao batimento/agitação, porém quando estas são produzidas, na maioria das vezes não são qualificadas para posterior desidratação, tornando necessária a adição de agentes espumantes e estabilizantes, para assim induzir a formação de espuma e conferir a estabilidade necessária à desidratação (SANGAMITHRA et al., 2014) .

[025]. Durante o estudo sobre a aplicação de diferentes agentes espumantes para a formação de espuma a partir da incorporação de ar à solução de quitosana, foi notada a complexidade em se encontrar um agente que promovesse a formação de espuma, pois, a solução de quitosana apresenta baixa concentração de sólidos solúveis, o que não favorece a estabilidade da espuma formada entre agente espumante x solução de quitosana. [026]. Quando não ocorre a estabilidade da espuma, ocorre, logo nas primeiras horas após o batimento da solução, a sinérese do liquido lamelado entre as bolhas de ar. Este liquido, neste caso, a solução de quitosana que é formada por carboidratos, se deposita no fundo do suporte onde está a espuma e dificulta a secagem do material. Dependendo da temperatura utilizada e do tipo de material, este se carameliza formando uma camada que impede que o aquecimento penetre em partes da espuma próxima e assim aumentando o tempo de secagem, impedindo a transformação total da espuma em pó e descaracterizando as propriedades do produto final do processo de secagem pelo método de camada de espuma.

[027]. Devido à importância substancial da formação de espuma e sua estabilidade durante o processo de secagem em camada de espuma, bem como que este promova a formação de um produto final em forma de espuma seca e em pó, dois agentes espumantes mostraram-se mais adequados às exigências do processo, um de origem proteica (ovoalbumina) e o outro sendo um composto a base de glicerídeos e ácidos graxos.

[028]. Tanto a espuma como o pó de quitosana e o da nanoquitosana ou sua combinação poderão ter diversas aplicações em variadas áreas, como para a formação de filmes, veículo de medicamentos, embalagens, aplicação da propriedade impermeabilizante das espumas secas, utilizados em sistemas de filtração, adsorventes de metais, minerais, micro-organismos, barro, entre outros materiais contaminantes ou não, presentes em água, soluções, sólidos, gasosos, aplicação em embalagens, construção civil, na produção da indústria papeleira, na indústria farmacêutica, médica, etc.

Descrição Detalhada da Invenção

[029]. Como comentado anteriormente, a secagem por camada de espuma é um processo muito simples, tendo como maior dificuldade e desafio a formação da espuma ideal. Após as condições de formação de uma espuma estável, o processo é simples, pratico, rápido e eficiente.

[030]. O fluxograma do processo pode ser visualizado na página de desenhos 01 (Fig. 1 ), e a seguir é realizada a descrição detalhada do processo.

[031 ]. No processo podem ser utilizadas tanto a quitosana em sua forma estrutural original, como a nanoquitosana, ou a mistura de ambas, por isso neste momento, explicamos como se dá a transformação da quitosana em nanoquitosana. Para a formação da nanoquitosana, a solução ácida de quitosana, independente do grau de desacetilação, de 50 a 100%, em variadas concentrações é obtida pela diluição da quitosana em meio aquoso contendo ácido acético, lático, cítrico ou qualquer outro tipo de ácido e em qualquer concentração que permita a solubilização da quitosana. Em seguida esta solução é transferida para um moinho de disco (Masuko Corp. (Saitama Prefecture, Japan) com passos variando de 1 a 50, dependendo da concentração da quitosana na solução. É possível também se obter a nanoquitosana por outros processos químicos e físicos.

[032]. Assim, voltamos ao processamento referente à metodologia de secagem em camada de espuma: após a solução de quitosana ou nanoquitosana preparada, um emulsificante (ácidos graxos, monoglicerídeos e monoestearato de sorbitana) ou outro agente espumante é adicionado em concentração de 1 a 92%, estes são primeiramente homogeneizados e depois submetidos a aeração sob agitação e batimento constante, durante um tempo que pode variar de 3 a 80 minutos para incorporação de ar e formação da espuma. Imediatamente após a incorporação de ar, as espumas são dispostas em bandejas com qualquer espessura e submetidas a secagem em estufa, sob qualquer condição de pressão atmosférica, circulação de ar ou não, em micro-ondas, com variação de temperatura entre 30 e 200°C. Após a finalização do processo de secagem, a camada seca é retirada das bandejas, utilizadas na forma de espuma seca ou então transformadas em pó de quitosana ou nanoquitosana, por processo de moagem mecânica ou trituração.