Desenvolvimento e caracterização de filmes à base de proteínas do soro do leite : potencial funcionalização com quitosanos

Abstract

O objectivo deste projecto consistiu na preparação de filmes comestíveis à base de proteínas do soro do leite (WPI) a pH 7 na presença de quitosano, como potenciais revestimentos de queijos, pois este apresenta propriedades biológicas interessantes, nomeadamente, actividade antimicrobiana. Com a incorporação deste polissacarídeo na matriz proteica, pretendia-se verificar se a sua presença provocaria uma melhoria das propriedades mecânicas e de barreira dos filmes de WPI. No entanto, uma vez que o quitosano é um polissacarídeo catiónico, chegou-se à conclusão que a mistura destes dois polímeros em solução a pH superior ao ponto isoeléctrico do WPI (pI 5,2), conduzia à precipitação dos mesmos. Deste modo, na impossibilidade de formar filmes de WPI a pH7 na presença de quitosano de massa molecular média, procedeu-se à preparação de filmes à base de quitosano e WPI a pH 3,5 nas seguintes proporções: 1:0, 6:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 e 1:3 (quitosano:proteína), mantendo constante a quantidade total de polímero por unidade de área. Neste caso, utilizou-se um filme de quitosano como controlo porque a pH<6,5 as pontes dissulfureto não se estabelecem entre as cadeias proteicas, pelo menos em número que possibilite, nestas condições de pH, a obtenção de filmes com propriedades mecânicas satisfatórias. Estes filmes apresentaram duas superfícies distintas: superfície superior (exposta às condições atmosféricas de temperatura e humidade durante a secagem) e a superfície inferior (em contacto com a placa de acrílico), pelo que ambas as superfícies foram caracterizadas. Os filmes de quitosano e WPI apresentam propriedades mecânicas moderadas (pouco flexíveis e baixa resistência mecânica), são barreiras moderadas ao vapor de água e verificou-se ainda que se trata de um sistema pouco estável, no qual ocorre a separação de fases (através da análise por espectroscopia de infravermelho e microscopia electrónica de varrimento (SEM)). Uma vez que os filmes preparados a pH ácido apresentavam uma estrutura heterogénea e com propriedades mecânicas pouco interessantes, decidiu-se incorporar uma amostra comercial de oligoquitosanos (massa molecular média 1700 Da) na matriz de WPI, pois os oligoquitosanos são solúveis em água e biologicamente mais eficazes. Assim, foram preparados filmes de WPI e oligoquitosanos a pH 7 nas seguintes proporções: 100:1, 75:1 e 50:1, tendo como controlo um filme constituído apenas por WPI. A presença dos oligoquitosanos promoveu a diminuição da rigidez e o aumento da flexibilidade da matriz, o aumento da hidrofilicidade da superfície dos filmes, sem provocar alterações significativas da morfologia da superfície e da permeabilidade ao vapor de água dos mesmos. Conclui-se assim que a incorporação de oligoquitosanos poderá ser uma estratégia vantajosa para se conseguirem filmes de WPI, com propriedades mecânicas satisfatórias e actividade antimicrobiana útil em aplicações alimentares.

ABSTRACT: The aim of this work was to prepare edible biopolymer films of whey protein isolate at pH 7 and chitosan, as a potential cheese cover, taking advantage from the useful chitosan’s biological properties, in particular, antimicrobial activity. The polysaccharide incorporation was made to check if their presence would improve mechanical and barrier properties of films. However, since chitosan is a cationic polysaccharide, the mixture in solution of these two polymers at pH above the isoelectric point of protein (pI 5.2) led to precipitation of them. Due to the impossibility of forming WPI films at pH 7 in the presence of chitosan with intermediate molecular weight, new films were prepared with chitosan and WPI at pH 3.5 in the following proportions: 1:0, 6:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 and 1:3. (chitosan:protein), keeping constant the total amount of polymer per unit of area. In this case, a chitosan film was used as control because disulfide bridges are not established between protein chains at pH below 6.5, or at least would not be formed in enough amount to originate a film with acceptable mechanical properties. The prepared films had two different surfaces: upward surface (was exposed to atmospheric conditions of humidity and temperature during the drying process) and downward surface (in contact with acrylic plate during the drying process), which were characterized independently. After the films characterization it was concluded that these have moderate mechanical properties, and moderate water vapour permeability. It was also noticed that these films are heterogeneous systems in which phase separation occurs (through FTIR and SEM analysis). Since the prepared films at acid pH had a heterogeneous structure and unattractive mechanical properties, it was decided to incorporate a commercial sample of chitooligosaccharides (average molecular weight 1700 Da) in the WPI matrix, taking advantage of their higher water solubility (unlike chitosan with higher molecular weight) and more effective biological activity. Thus WPI and chitooligosaccharides were prepared at pH 7 in the following proportions: 100:1, 75:1 and 50:1, using a WPI film as control. The presence of chitooligosaccharides promoted the reduction of stiffness and the increasing of elongation of the matrix, the increase in film’s surface hydrophilicity, but did not change, significantly, the film’s surface morphology and their water vapour permeability. Therefore, incorporation of the chitooligosaccharides may be an attractive strategy in order to obtain films and coatings with potential antimicrobial activity, and satisfactory mechanical properties and barrier properties.