CAPÍTULO 5 - EFEITO DO OXIGÊNIO NA ESTABILIDADE DE ALIMENTOS TP 244 – Embalagem e estabilidade de alimentos Prof. Dr. José de Assis F. Faria Camila Brossi Elaine Berges Mariana S. Danelon Novembro - 2008

INTRODUÇÃO Em alimentos in natura e, ou processados, o oxigênio é o principal agente capaz de provocar alterações como rancidez oxidativa e descoloração de carnes, frutas e vegetais. A oxidação dos constituintes dos alimentos (lipídios, vitaminas, sabor e aroma) é o principal problema que afeta em todos os aspectos a qualidade dos produtos (CHOE & MIN, 2006; ARAÚJO, 2004).

SUMÁRIO Efeito do oxigênio na estabilidade de óleos e gorduras; Alterações causadas por enzimas oxidativas em vegetais; Efeito do oxigênio: na maturação de frutas; na estabilidade de pigmentos; na estabilidade de vitaminas; no crescimento de microorganismos; Formas de controle da composição gasosa.

EFEITO DO OXIGÊNIO NA ESTABILIDADE DE ÓLEOS E GORDURAS CAUSAS DA DETERIORAÇÃO DE ÓLEOS E GORDURAS: Hidrólise, polimerização, pirólise, absorção de sabores e odores estranhos e oxidação. OXIDAÇÃO  RANCIDEZ OXIDATIVA MECANISMOS DA REAÇÃO: Fotoxidação – AG insaturado + oxigênio singlete; Autoxidação – AG insaturado + radical livre; Oxidação Enzimática – Lipoxigenase Oxidação  processo no qual o oxigênio é adicionado ou são removidos hidrogênio, ou elétrons.

OXIDAÇÃO DE LIPÍDIOS – ALTERAÇÕES

INICIAÇÃO OU INDUÇÃO RH: triacilgliceróis (ácido graxo insaturado) H O H H H ! !! ! ! ! H - C- O- C - (CH2)6 - C - C = C - (CH2)7 - CH3 ! ! H - C- O- C - R H ! O H - C- O- C - R ! !! H O LOCAL DA OXIDAÇÃO 1O2 (oxigênio singlete) ENERGIA: luz, UV, calor PERÓXIDO RADICAIS LIVRES SENSORES: pigmentos naturais, metais 6

O - O - PROPAGAÇÃO ! ! ! - C - C = C - • + • H • • • ! ! ! ! ! ! - C - C = C - • + • H R: RADICAL LIVRE O - • O - • • OXIGÊNIO TRIPLETE ! ! ! - C - C = C - ! O - O• ! ! ! - C - C = C - ! O - OH ROO: RADICAL PEROXIL RH + R • ROOH: PEROXIDO 7

TERMINAÇÃO ! ! ! - C - C = C - ! O - OH ROOH: PEROXIDO ! ! ! - C - C = C - ! O - OH ROOH: PEROXIDO PROTEÍNA: OXIDAÇÃO VITAMINAS: A, C, D, E, K PIGMENTOS: DESCOLORAÇÃO OXIDAÇÃO SECUNDÁRIA (RANCIFICAÇÃO) ALDEÍDOS, ÁCIDOS, ÁLCOOIS, EPÓXIDOS, POLÍMEROS, HIDROCARBOENTOS, ÁCIDOS GRAXOS CÍCLICOS, ETC.. 8

FORMAÇÃO DE OFF FLAVORS

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA PERÓXIDOS

FATORES QUE AFETAM AS TAXAS DE OXIDAÇÃO GRAU DE INSATURAÇÃO DOS LIPÍDIOS TEOR DE PRÓ E ANTIOXIDANTES ATIVIDADE DE ÁGUA (Aa) NÍVEIS DE O2 RADIAÇÕES LUMINOSAS TEMPERATURA – Q10 = 2

Fonte:Jorge&Gonçalves, 1998 GRAU DE INSATURAÇÃO CARACTERÍSTICAS ÓLEO GIRASSOL ALTO OLEÍCO COMPOSIÇÃO ÁCIDOS GRAXOS: C16:0 C18:0 C18:1 C18:2 OUTROS 4,0 4,3 71,8 17,9 2,0 6,2 4,7 20,3 66,7 2,1 Estabilidade em horas 2,5 g, 100oC, 20L ar/h 20,8 h 9 h Fonte:Jorge&Gonçalves, 1998

PRÓ-OXIDANTES Metais reduzem energia de ativação da reação e promovem a decomposição dos peróxidos  forma compostos off flavors Cu++ (50 x) > Fe++(100x) > Fe+++ FONTE: CHOE & MIN, 2006.

MECANISMOS DE AÇÃO DOS ANTIOXIDANTES Os ANTIOXIDANTES são substâncias capazes de retardar ou previnir o desenvolvimento da rancidez oxidativa em alimentos ou a deterioração do “flavor”. Podem atuar basicamente de 3 formas: Doadores de Hidrogênio ou elétrons: BHA, BHT, t-BHQ, galatos, tocoferóis, ácido ascórbico. ROO. + AH (antioxidante)  ROOH + A. Sinergistas: palmitato de ascorbila, ácido cítrico e fosfórico. A. + SH (sinergista)  AH + S. Agentes sequestrantes: ácidos cítrico e fosfórico e EDTA.

NÍVEIS DE OXIGÊNIO CARNE FRESCA À VÁCUO Fonte:Smiddy et al, 2002

ALTERAÇÕES CAUSADAS POR ENZIMAS OXIDATIVAS EM VEGETAIS PEROXIDASES POLIFENOLOXIDASES

2 AH + H2O2  2A* + 2H2O PEROXIDASE Onde: AH – compostos fenólicos A* - radicais livres Na ausência de H2O2 a reação ocorre via oxidação de outros compostos (ácido ascórbico, tióis e hidroquinonas) pelo O2. Importante do ponto de vista: Nutricional (destruição de vitamina C) Sensorial (cor e flavor)  descoloração de carotenóides e antocianinas, degradação de ácidos graxos insaturados.

POLIFENOLOXIDASE

ALFACE MINIMAMENTE PROCESSADA – armazenada a 5oC POLIFENOLOXIDASE PEROXIDASE FONTE: MATOS et al, 2007.

Efeito do oxigênio na maturação de frutas e hortaliças Frutas e hortaliças in natura: processos fisiológicos (respiração, transpiração, reações relacionadas à senescência) continuam ocorrendo no produto colhido Comercialização in natura, minimamente processado, atmosfera modificada: reações devem ser consideradas ampliar vida útil e manter qualidade Produto colhido continua vivo!

Respiração O2 O2: taxa respiratória e maturação Estufamento, odor e sabor estranhos (off flavors)

Quanto aos ciclos de respiração e maturação Frutos climatéricos: podem ser colhidos e deixados amadurecer fora da planta mãe (maturidade fisiológica). Apresentam um rápido aumento na respiração e na produção de etileno durante a maturação. Ex: manga, mamão, abacate, banana, maracujá, pêra, ameixa. Frutos não climatéricos: somente amadurecem se estiverem ligados à planta mãe. Apresentam um contínuo decréscimo nas taxas de respiração durante o crescimento e maturação, sendo que a produção de etileno permanece constante. Ex: laranja, tangerina, limão, abacaxi, uva, morango, cereja, romã, caju, nêspera, carambola, melancia, pepino e cacau.

Para prolongar vida útil: tenta-se retardar pico climatérico                                                                                                                                                                                                           Taxas respiratórias Para prolongar vida útil: tenta-se retardar pico climatérico

Fatores que afetam a taxa de respiração Espécie e cultivar Temperatura Composição atmosférica (CO2 e O2) Etileno Injúrias mecânicas

Espécie e cultivar

Concentração de gases Ar atmosférico: 21% O2; 0,03% CO2 O2 e CO2 reduz a taxa de respiração. Princípio da atmosfera modificada

Taxas respiratórias em diferentes condições atmosféricas                                                                                                      Taxas respiratórias em diferentes condições atmosféricas Fonte: Kader et al. (1992), Watada et al. (1996)

Etileno: C2H4 Hormônio vegetal gasoso Efeitos: aumenta expressão gênica das enzimas relacionadas ao amadurecimento (clorofilase, celulase, poligalacturonase, entre outras) e à respiração A biossíntese do etileno e o mecanismo de ação do etileno são dependentes do oxigênio

Biossíntese do etileno Ação: no sítio receptor de etileno

Efeito do oxigênio na degradação de vitaminas Hidrossolúveis: ácido ascórbico Lipossolúveis: carotenóides, tocoferol Antioxidantes reagem com oxigênio disponível ou com produtos da oxidação lipídica (hidroperóxidos, peróxidos): perda da atividade vitamínica durante armazenamento. Atmosfera modificada: maior retenção de vitamina C e carotenóides (DEVLIEGHERE; DEBEVERE, 2000).

Figueiredo et al. (2001): Conteúdo de ác. ascórbico em suco de acerola microencapsulado, embalagem flexível laminada: camada externa PET/PE/Al/camada interna PE, no período de 1 ano de armazenamento (TPO2=0,45 cm3/(m2.dia.atm) 25ºC, 60%UR Produto conservou-se muito bem por 1 ano; Perdas de ác. Ascórbico de 2% devido à oxidação

Efeito do oxigênio no crescimento de microrganismos Aeróbios estritos: crescem apenas onde há disponibilidade de oxigênio. Ex: Pseudomonas, Bacillus, Salmonella, Shigella, fungos. Microaerófilos: requerem uma quantidade reduzida de oxigênio; altas concentrações de oxigênio são tóxicas. Sobrevivem em ambientes com alta concentração de dióxido de carbono. Ex: Campylobacter, Streptococcus, Lactobacillus. Anaeróbios facultativos: utilizam oxigênio em seu metabolismo energético, mas também podem crescer na ausência de oxigênio. Ex: Staphylococcus aureus, família Enterobacteriaceae, leveduras. Anaeróbios aerotolerantes: suportam a presença de oxigênio, sem utilizá-lo em seu metabolismo. Ex: Lactobacillus acidophillus. Anaeróbios estritos: não crescem na presença de oxigênio, que é tóxico. Ex: Clostridium tetani, Clostridium botulinum.

O crescimento dos microrganismos depende (JAY, 1978): do potencial de óxido-redução (Eh) do alimento, da tensão de oxigênio no interior da embalagem, da TPO2 do material da embalagem Aeróbios: Eh positivo (mais oxidado) para iniciar desenvolvimento Hortaliças e sucos: +300 a +400 mV: bactérias aeróbias e fungos Anaeróbios: Eh negativo (mais reduzido) Peças inteiras de carnes: -200 mV; queijos: -20 a -200 mV favorecimento de anaeróbios

Exemplos da influência do teor de oxigênio nas embalagens Carnes: Refrigeradas com embalagem permeável ao O2: predomínio de Pseudomonas e Acinetobacter: aeróbias a vácuo: predomínio das espécies fermentativas de Lactobacillus atmosfera modificada: teor de CO2 de no mínimo 26% (BRODY, 1989): inibe Pseudomonas, Acinetobacter, Enterobacter.

Exemplos da influência do teor de oxigênio nas embalagens Vegetais: Atmosfera modificada (SIGRIST, 2002): 25% CO2 e <1% O2: inibe patógenos e o desenvolvimento de deterioradores: bolores, leveduras e coliformes fecais Concentrações muito baixas de O2 e muito altas de CO2: risco de patógenos anaeróbios (VITTI; KLUGE, 2002).

EFEITO DO OXIGÊNIO NA ESTABILIDADE DE PIGMENTOS CAROTENÓIDES CLOROFILAS MIOGLOBINA

Compostos de baixo peso molecular CAROTENÓIDES Isômero Trans Epoxidação Apocarotenóides Compostos de baixo peso molecular

CAROTENÓIDES EM MANGAS DESIDRATADAS Secagem Ar Quente Ar Quente + sulfito Ar Quente + Ác. Ascórbico Liofilização Liofilização + sulfito Liofilização + Ác. Ascórbico Total μg/g 32,74 42,30 43,32 40,73 68,81 55,98 Fonte: CHEN et al, 2007.

CLOROFILA compostos incolores

ESTABILIDADE DA CLOROFILA % de PERDA CONDIÇÃO CLOROFILA CLOROFILA CÚPRICA Oxigênio/Escuro 7% 0,7% Oxigênio/Luz 95%** 42% Nitrogênio/Escuro 6% - Nitrogênio/Luz 91%* 42% NOTA: *após 45 horas ** após 24horas Fonte: Santos, 1988

MIOGLOBINA Pigmento responsável pela cor da carne vermelha, no qual o cromóforo responsável pela absorção da luz e cor é uma metaloproteína, cujo grupo metálico é o FERRO. N Fe3+ Globina H2O N Fe2+ Globina H2O AUSÊNCIA O2 PRESENÇA O2 MIOGLOBINA VERMELHO PÚRPURA METAMIOGLOBINA MARROM

MIOGLOBINA

FORMAS DE CONTROLE DA COMPOSIÇÃO GASOSA Uso de atmosfera modificada Utilização de embalagem de alta barreira ao O2 Uso de embalagens ativas: absorvedores de O2

USO DE ATMOSFERA MODIFICADA Modificação da Atmosfera que circunda o alimento. APLICAÇÃO Frutas, verduras e legumes (minimamente processados); Carnes, Peixes, Queijos.

USO DE ATMOSFERA MODIFICADA

USO DE ATMOSFERA MODIFICADA EM PRODUTOS CÁRNEOS CARNES  60-80% O2 - 20-40% CO2 (Sorheim et al, 1999); 70-88% O2 - 15-25% CO2 (LUNO et al, 1998); alta concentração de O2  reduz vida útil para 7 dias a 6 a 8 ºC CO  0,5 a 1% - forma carboximioglobina 0,3 a 0,5 de CO + 60 a 70 % CO2 + 30 a 40% de N2

Atmosfera modificada para produtos vegetais Atmosfera normal 21% O2 0,03% CO2 78% N2 Atmosfera modificada 8 a 3% O2 3 a 25% CO2 75 a 90% N2

Efeitos fisiológicos da atmosfera modificada Baixo O2: Taxa respiratória Ação enzimas oxidativas Produção de etileno Desenvolvimento de Ação de etileno microrganismos Alto CO2: Respiração Ação do etileno Efeitos negativos quando se passa do limite das concentrações: Fermentação Alteração de sabor e aroma Bactérias anaeróbicas Distúrbios fisiológicos

Modificação da atmosfera Fonte: Sarantópoulos; Moraes - ITAL

Fonte: Sarantópoulos; Moraes - ITAL

Fonte: Sarantópoulos; Moraes - ITAL

Atmosfera modificada passiva para vegetais Materiais de embalagem: PVC: policloreto de vinila PEBD: polietileno de baixa densidade PEBD + minerais PP: polipropileno BOPP: polipropileno biorientado Filmes laminados: PP/PEBD ou BOPP/PEBD Embalagens rígidas: PP, PET, PS

Atmosfera modificada ativa para vegetais Materiais de embalagem: PP Filmes laminados: PP/PEBD e BOPP/PEBD Embalagens rígidas: PP, PET, PS Bandeja: PS/EVOH/PE/EVA Tampa: BOPP/PELBD/EVA Fonte: Sarantópoulos; Moraes - ITAL

Uso de embalagens – Taxa de permeabilidade ao oxigênio Materiais plásticos TPO2 (cm3/(m2.dia.atm)) – 20ºC, 65% UR Propriedade de barreira EVOH 0,15-0,30 Alta PVDC 0,80-15,5 PAN/BAREX 10,8-12,0 PA-6 40 Média PET 47-93 PVC-Rígido 108-104 PPBO 1800-3120 Baixa PP 2325-3720 PEAD 2868 PS Cristal 3875-5425 PEBD 5800-9650 Ionômero 4650-62000 EVA 13020

Uso de embalagens – Taxa de permeabilidade ao oxigênio Laminados: alumínio: boa barreira ao oxigênio Embalagem de café torrado e moído: Poliéster ou BOPP/Al/PE. Poliéster: resistência mecânica, brilho e transparência; Al: barreira aos gases, luz e umidade; PE: termossoldagem reduz oxidação de compostos aromáticos Filme de poliéster metalizado/PEBD Metalizados: aumentam barreira aos gases em relação à embalagem sem metalização Filme TPO2 (cm3/dia.24h/25ºC, 60%UR) Sem metalizado Metalizado Poliéster 100 1,5 BOPP (25µ) 1800 30-50

Diferentes embalagens para leite em pó integral (ALVES et al., 2008) O2: degradação do sabor do produto devido à oxidação da gordura Embalagem: barreira à umidade, O2 e luz Embalagens metálicas e plásticas flexíveis (laminados de poliéster metalizado/PEBD). ALVES et al. Influência das propriedades de barreira das embalagens flexíveis na estabilidade de leite em pó integral. Brazilian Journal of Food Technology, mar. 2008.

Conclusões: A embalagem metálica mostrou ser a mais adequada para manter as características iniciais do leite em pó. ALVES et al. Influência das propriedades de barreira das embalagens flexíveis na estabilidade de leite em pó integral. Brazilian Journal of Food Technology, mar. 2008.

Absorvedores de oxigênio: sachês, filmes, etiquetas Capazes de reduzir a concentração de O2 a menos que 0,01% (VERMEIREN et al., 1999). Dependem: do nível de O2 no headspace, quantidade de O2 presente inicialmente no alimento e a permeabilidade do material de embalagem. Devem: ser inofensivos ao homem; absorver O2 na taxa apropriada não produzir substâncias tóxicas, odores ou sabores manter a qualidade com o tempo; ser viáveis economicamente.

Efeitos dos absorvedores de O2 em alimentos Aplicação Mantêm gosto, aroma e frescor dos produtos Vários alimentos, como café e chá Inibem crescimento de microrganismos Pães, massas, queijos, carnes Reduzem rancidez Produtos fritos, carnes processadas Inibem descoloração Carnes processadas, chá, vegetais desidratados Evite danos por insetos Grãos, temperos Reduz perdas de valor nutricional Todos os tipos de alimentos Fonte: ABE, 1994; SMITH et al., 1990

Sachês Maior parte: princípio da reação do oxigênio com o ferro em pó presente no sachê, formando hidróxido férrico Outros tipos: oxidação do ácido ascórbico e do catecol, e uso de enzimas (oxirredutases, combinação da glicose oxidase e catalase) Filmes da embalagem: devem apresentar boa barreira ao O2, ou absorvedor rapidamente ficará saturado Principais absorvedores: Ageless® (Mitsubishi Gas Chemical Co., Japan), ATCO® (Standa Industrie, France), FreshPax® (Multisorb technologies Inc., USA)

Filmes com absorvedores de O2 Agente removedor de O2 é incorporado no material da embalagem (filmes poliméricos) Vantagens: pode ser usado para produtos líquidos; não há risco de ingestão acidental pelo consumidor, como há nos sachês; nos sachês pode ocorrer contaminação por ruptura

Referências ABE, Y. Active packaging with oxygen absorbers. In: AHVENAINEN, R.; NATTILA-SANDHOLM, T.; OHLSSON, T. Minimal processing of foods. VTT Symposium, Finlândia, v. 142, p. 209-33. 1994. AZEREDO, H.M.C. Fundamento da Estabilidade de Alimentos. Fortaleza: Embrapa Agroindústria Tropical, 2004. p.37-59. BRODY, A.L (ed.). Controlled/modified atmosphere/vacuum packaging of foods. FOOD & NUTRITION PRESS: Connecticut. 1989. 179 p. DEVLIEGHERE, F.; DEBEVERE, J. MAP, product safety and nutritional quality. In: AHVENAINEN, R. Novel food packaging techniques. CRC PRESS; WOODHEAD PUBLISHING LIMITED. 2003, p. 208-230. KADER, A.A. Postharvest biology and technology: an overview. In: KADER, A.A. Post harvest Technology of Horticultural Crops. Univ. California, Publication 3311, 1992, p. 15-20. JAY, J.M. Microbiología moderna de los alimentos. 2ª ed. ACRIBIA: Zaragoza. 1978. 491 p.

Referências SARANTÓPOULOS, C.I.G.L.; MORAES, B.B. Embalagens ativas e inteligentes para frutas e hortaliças. SIGRIST, J.M.M. Estudos fisiológicos e tecnológicos de couve-flor e rúcula minimamente processadas [dissertação]. ESALQ; USP, 2002. 125 p. SMITH, J.P.; RAMASWAMY, H.S., SIMPSON, B.K. Developments VITTI, M.C.D.; KLUGE, R.A. Prontos para o consumo. Revista Frutas e Legumes. n. 15, p. 22-28, ago./set. 2002. WATADA, A.E., KO, N.P.; MINOTT, D.A. Factors affecting quality of fresh – cut horticultural products. Postharvest Biology and Technology, 9, 1996, p.115-125.