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UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA "LUIZ DE QUEIROZ" DEPARTAMENTO DE AGROINDSTRIA, ALIMENTOS E NUTRIO

QUMICA DE ALIMENTOS AULA: ESCURECIMENTO NO ENZIMTICO CURSO DE GRADUAO

Prof Marlia Oetterer

B

UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA "LUIZ DE QUEIROZ" DEPARTAMENTO DE CINCIA E TECNOLOGIA AGROINDUSTRIAL

Disciplina: Qumica de Alimentos Assunto: Escurecimento no enzimtico Prof Responsvel: Marlia Oetterer

1. INTRODUO E IMPORTNCIA

Uma das propriedades mais importante dos acares nos alimentos a da formao de cor caracterstica; cor de caramelo. As reaes de escurecimento so desejadas em produtos de confeitaria, no preparo de bolos, bolachas, balas, biscoitos, pes e assados em geral. Tambm so desejadas nas carnes assadas, batatas fritas, amendoim e caf torrados e em cerveja escura. Mas estas reaes devem ser evitadas em alguns alimentos principalmente os desidratados armazenados secos por longo tempo como o leite em p, ovo em p, o pescado salgado seco e os sucos de frutas. Tanto para o caso de escurecimento desejvel como indesejvel podem predominar diferentes caminhos para a reao de escurecimento. Esses tipos de reaes foram agrupadas com o nome de E..E. - Escurecimento no enzimtico por analogia ao outro tipo genrico de escurecimento de frutas provocado por reaes de enzimas. Na verdade essas reaes so de 3 tipos distintos, porm a maioria ocorre a partir do acar. De incio h formao de cor amarela que vai dourando e chega cor de caramelo , marrom claro amarelado. Para que essas reaes ocorram h necessidade da presena de alguns fatores combinados como temperatura, tempo, umidade, meio cido ou alcalino e componentes dos alimentos mais susceptveis a participarem da reao.

C

O produto final ser sempre um polmero responsvel pela cor, as melanoidinas. No caso da reao de Maillard, alm da cor tem-se a formao do aroma.

2. CARAMELIZAO (Acar)

2.1. Em condies anidras: Utiliza-se sacarose para produzir o caramelo em preparo caseiro de caldas para pudins. A sacarose pura, aquecida diretamente, funde a 160C (derrete) torna-se amarela e depois marrom claro. Neste ponto se adiciona gua, por exemplo, para preparo de caldas, ou leite para preparo de leite caramelizado. Houve portanto alterao na cor, aroma, sabor e textura em relao sacarose pura. Ao se fundir, a sacarose perde gua e se transforma nos anidridos de glicose e anidridos de frutose ou glicosanos e levulosanos. A reao autocatalisada pois a gua formada acelera a reao. Os anidridos formados se combinam com a gua e produzem cidos derivados que hidrolisam a sacarose remanescente, produzindo glicose e frutose. Os levulosanos e glucosanos formados tambm podem combinar-se com a gua e reaparecer a frutose e a glicose. Durante todo o tempo da reao ocorrem desidrataes e hidrlises, chegando ao final com predominncia de cidos como o actico e o frmico, de aldedos como o formaldedo e o hidroximetilfurfural, diacetil, carbonilas e grupos enlicos. Estes so compostos responsveis pelo aroma, porque so volteis e pela cor, porque so ativos, recombinam-se e formam o polmero que um pigmento chamado melanoidina. Com aquecimento a 200C a degradao da sacarose se faz por desintegrao, com formao de espuma e pigmento, em 3 estgios de formao da cor. Ao final, os produtos de degradao se recombinam e formam o caramelo. Podese dizer que essa a reao clssica de caramelizao. Se o aquecimento continuar, haver a carbonizao ou queima.

D

2.2. Nos alimentos:

Nos alimentos, a caramelizao vai depender da reatividade do acar, da temperatura de elaborao desses alimentos, da umidade e do pH do meio. Assim a sacarose, portanto, no se funde e no formar a cor porque os alimentos no so aquecidos a temperaturas to altas e as condies no so normalmente anidras. Essa cor de caramelo deve aparecer partindo do acar na forma redutora reativa, podendo formar derivados de menor peso molecular que se recombinaro e formaro o polmero, pigmento escuro, com mais facilidade e menos tempo. Os acares redutores so: glicose, frutose, galactose, maltose e lactose. A sacarose precisa ser hidrolisada (se o alimento for cido e aquecido ou se contiver a enzima, ser possvel obter o acar invertido). Ou ainda, se o alimento contiver amido e este for hidrolisado parcial ou totalmente a glicoses redutoras.

2.2.1. Caramelizao em meio cido

So basicamente trs etapas. Na primeira, a glicose ou outro acar redutor em+ meio cido, (H ), sofre uma isomerizao a nvel do C1, grupamento redutor, formando 1

ismero pela passagem de um hidrognio do C2 ao C1 receptivo de prtons; perde o carter aldedico, forma o 1, 2 enol, e adquire o carter lcool. Esta etapa altamente instvel devido dupla ligao insaturada, entre o C1 e o C2 . Neste ponto a primeira etapa da reao se encerra. A segunda etapa a das desidrataes. H sada de 3 molculas de gua. Aps a sada da 1 molcula h um rearranjamento ou isomerizao que leva ao aparecimento de 1 ismero insaturado, altamente instvel que logo se transforma em 1 ismero saturado mais estvel. A h perda das outras 2 molculas de gua. O ismero se encolhe a ponto de formar uma ligao hemi-acetlica entre os carbonos 2 e 5. o hidroximetilfurfural, HMF, precursor da cor.

E

F

O HMF se constitui em um anel de 5 membros (furanose), com grupamento aldedico (reativo) no carbono 1 que est ligado ao anel no C2, e 1 grupamento metlico hidroxilado no C6, ligado ao anel no C5. O produto o 5 hidroximetil, 2 furaldedo ou hidroximetil furfural. Encerra-se aqui a segunda etapa. Notar que o acar foi sofrendo transformaes a partir do C1 at o C5. A terceira etapa a da polimerizao do HMF que dar um polmero colorido, chamado melanoidina. O HMF no colorido, s aps a polimerizao. Essa uma reao autocatalizada porque a gua liberada ajuda a polimerizao.

2.2.2. Caramelizao em meio alcalino

Pode-se tambm considerar trs etapas. Na primeira, o acar na forma redutora, em meio alcalino, (OH-), sofre rearranjamento ou isomerizao, levando obteno do enol ao nvel dos Carbonos 1 e 2, adquirindo carter lcool. instvel devido a insaturao, como na caramelizao em meio cido, o que encerra a primeira etapa. As reaes podem seguir a sequncia do meio cido e formar HMF e melanoidinas. Tanto a manose, como a frutose chegam ao 1,2 enol, sendo uma reao reversvel, o que foi demonstrado por dois autores e cujas reaes so conhecidas com o nome de Esquema de "Lobry de Bruyn - Alberda von Ekenstein". Na segunda etapa pode ocorrer a fragmentao do 1,2 enol em compostos com 3tomos de carbono dando gliceraldedo, triose enediol, piruvaldedo e cido ltico, com

grupos altamente reativos, como aldeido, lcool e cido. Essa fragmentao conhecida como "Degradao de Holtamand". Esses compostos so reativos, lbeis, de rpida oxidao e consequentemente escurecimento. A terceira etapa a formao de polmeros a partir desses compostos, levando s melanoidinas.

G

H

2.2.3. Resumo da caramelizao

Em meio cido ou alcalino, o acar redutor isomeriza e enoliza. Numa segunda etapa em meio cido, desidrata,"encolhe" e forma o HMF; em meio alcalino se fragmenta em compostos lbeis. Na terceira etapa formam-se polmeros que so as melanoidinas coloridas. So reaes autocatalizadas pelo desprendimento de gua, aceleradas pelo calor e umidade.

I

3. REAO DE "MAILLARD" (ou reao do tipo carbonila-amina)

3.1. Consideraes gerais O trabalho publicado em 1912, no "Comptes Rendus de l,Academie des Sciences" de M.L.C. "Maillard", revelava a possibilidade de um acar (a glicose) reagir quando em soluo aquosa, a quente, com um aminocido (cido glutmico) produzindo colorao amarela e depois marrom. Maillard equacionou a reao provvel. Seguidores de "Maillard" foram elucidando etapas e completando a reao, como Amadori, Strecker, Cole, etc. No alimento essa reao vai depender da presena do acar redutor que dar o grupamento carbonila C=O, vindo de um aldedo ou de uma cetona. HC=O HCOH R CH2OH C=O R

No s um acar fornece a carbonila, mas tambm as gorduras que tem esse grupo livre em cada 1 dos 3 cidos graxos ligados glicerina.

CH2OH CHOH CH2OH

+

OH R C=O R COOH R C=O OH

Os aminocidos iro colaborar com os grupamentos (NH2) essenciais para a reao. OH

J

| NH2RC=O OH O grupamento cido do aminocido COOH ou C=O tambm pode fornecer a carbonila como no caso do cido graxo ou do acar redutor. Os aminocidos bsicos como a lisina, a hidroxilisina, que tm grupamentos NH2 extras ligao peptdica, quando presentes nos alimentos tornam mais provvel a reao. importante classificar os aminocidos tambm quanto reatividade. O cido glutmico o mais reativo. Assim, uma lipoprotena pode ento, fornecer grupamentos NH2 e C=O.

3.2. Alimentos fornecedores dos grupos reativos

No leite reagem as protenas casena, lactoalbumina e lactoglobulina e o acar lactose. Nas carnes e nos peixes reagem a mioglobulina, a miosina e a actina e como fonte de carbonilas, as gorduras. Nos peixes, durante a secagem, pode ocorrer o rano oxidativo, liberando perxidos altamente reativos ou malonaldedos que fornecem carbonilas que reagem com a prpria protena do peixe, particularmente a lisina, com escurecimento alm do desejado. Em alimentos preparados com acar ou amido onde se adiciona o leite, como os produtos de confeitaria, comum ocorrer este tipo de escurecimento.

3.3. Etapas da reao de "Maillard"

A reao ocorre preferencialmente em meio alcalino com 3 etapas distintas. necessrio a abertura do anel do acar ou o acar na forma redutora. Inicialmente o acar redutor, glicose, condensa-se com o aminocido. A ao do calor e a presena de gua aceleram a reao. Essa condensao se faz no carbono reativo. A relao acar aminocido 1:1 no incio.

K

O composto formado se desidrata levando formao da base de Schiff, insaturada e instvel. A proporo de liberao de gua de 1:1 em relao ao acar combinado. O rearranjamento para a forma cclica imediato, mais estvel devido a formao da ligao hemi-acetlica entre os carbonos 1 e 5. a glicosilamina N substituda ou aldosilamina. Por ser o ltimo componente da reao em equilbrio com a soluo aquosa, encerra a 1 etapa. A 2 etapa consta do rearranjamento de Amadori. a reao chave para o escurecimento. Ocorre a entrada e sada de um H+, inicialmente formando o catinico da base de Schiff (capaz de doar prtons) e isomerizao dando um amino, 1 desoxi, 2 cetose, N substituda. a forma ceto (cetoseamina), mais estvel e que encerra a 2 etapa. O final da 2 etapa de fcil deteco porque a substncia formada redutora e pode ser medida por mtodos convencionais. Esta etapa catalisada pelos aminocidos presentes. Catlise cido-base. A 3 etapa de "Maillard" consta de dois caminhos: a) A partir do produto da 2 etapa que sensvel ao calor em estado seco, mesmo a pH cido e se aquecida desidrata, sofre fisso, dando redutonas incolores ou substncias marrons. Em estado lquido, se o pH estiver alcalino j escurecem. O OH OH C C = C

Redutonas

constituem o grupamento mais reativo que se

forma na reao de "Maillard" dando aroma de caramelo. Tm alto poder redutor. A redutona a fonte de escurecimento na forma de dehidrorredutona ( um escurecimento oxidativo). Alm das redutonas pode-se formar tambm o isomaltol e o maltol, este tem aroma de caramelo e realador de sabor.

b) A 3 etapa da reao de "Maillard", partindo da cetoseamina pode ser entendida como uma srie de reaes que ainda no esto totalmente elucidadas e generalizadas. Experimentalmente, partindo de 1 glicina, 1 deoxi, 2 cetose, D-frutose, chega-se ao hidroximetil furfural.

L

O HMF reage com os compostos iniciais, polimeriza-se em outros chegando s melanoidinas. possvel medir esta etapa por cromatografia.

M

N

Os furfurais ao cindirem o anel fornecem tambm as redutonas, de alto poder redutor. As presenas de HMF e de redutonas levam ao escurecimento e aroma caractersticos da reao de "Maillard". Nesta 3 etapa h tambm liberao de CO2 que aparece devido a degradao dos aminocidos a aldedos. A liberao de CO2 pode prejudicar produtos enlatados; o estufamento das latas j foi observado em pur de tomate e suco concentrado. Esta reao recebe o nome de Degradao de Strecker. Estes aldedos de Strecker ao reagirem com os compostos de "Maillard" daro o sabor e o aroma peculiares das reaes de escurecimento. O final da reao de "Maillard" importante porque h formao de aroma, alterao do sabor e cor caractersticos. Conforme o aminocido presente h o aparecimento do aroma e de cor caractersticos, a uma dada temperatura. Por exemplo, a arginina na presena de glicose escurece a 60C e desprende aroma semelhante a pipoca. A valina escurece a 80C e a 180C desprende aroma semelhante ao do chocolate. A lisina s escurece a 130C e a 180C desprende aroma semelhante ao do po. Alguns autores sintetizam "flavours" sob condies especiais de pH, temperatura e tempo a uma dada concentrao dos componentes. Exemplo: glicose + histidina = manteiga. Glicose + cido glutmico + cido ctrico = mel.

O

P

Q

3.4. Perdas nutricionais

Em termos nutricionais, h perda da qualidade proteica devido ao consumo do aminocido durante a reao irreversvel. Essa perda foi medida no sistema constitudo de albumina do ovo incubado com glicose, por 35 dias, a 37C e com UR=76%. Houve maior consumo de arginina e lisina. O mesmo experimento, mostra a medida da disponibilidade do aminocido. Perdas chegam a 90% na disponibilidade de lisina e 66% de arginina. Um alimento que perde seu valor nutritivo o leite em p escurecido aps o armazenamento prolongado.

3.5. Resumo

A reao de "Maillard" ocorre entre 1 grupamento carbonila do acar ou da gordura e o grupamento NH2 do aminocido, em meio preferencialmente alcalino, na presena de gua e calor. H complexao do acar com o aminocido, formando uma base, o que acelera a reao. H formao imediata de composto mais estvel, cclico que a glicosamina N substituda. Esta recebe prtons e os doa. Devido a isomerizao recebe o nome de rearranjamento de Amadori levando a 1 amino, 1 deoxi, 2 cetose, N substituda. Na 3 fase h desprendimento de CO2 (aroma) e formao de redutonas e de hidroximetilfurfural. Ao final, h formao de substncias heterocclicas, pirris, imidazois, piridinas e pirasinas. Podem ocorrer condensaes aldlicos e polimerizao de aminoaldedos. Os intermedirios se polimerizam formando polmeros insaturados coloridos.

R

4. OXIDAO DO CIDO ASCRBICO

Este tipo de escurecimento ocorre numa situao particular. O alimento deve conter cido ascrbico ou vitamina C e ser suficientemente cido na faixa de pH 2,0 a 3,5. Geralmente ocorre em sucos de frutas como o limo, laranjas e pomelos. O cido ascrbico possui 1 grupo carbonila, ele deve passar a cido dehidroascrbico no incio da reao. Este contm 3 grupos carbonilas. Esta substncia recebe 2 H e chega ao cido 2 ceto, 3 ceto hexurnico que perde 2 molculas de gua e 1 de CO2 chegando ao furfural. O aparecimento do furfural j indica a tendncia polimerizao e formao das melanoidinas com escurecimento. Este furfural um aldedo muito ativo, poder combinar-se com grupos amino e chegar reao de "Maillard", mas neste caso, esta reao tpica de meio alcalino, portanto no poder ocorrer em sucos, mas pode aparecer em repolhos desidratados. Resumo: A oxidao leva o cido ascrbico a dehidroascrbico e este recebe 2 H+ no meio cido passando a 2 ceto, 3 ceto, hexurnico com dois grupamentos carbonilas para reagir. H perda de CO2 (aroma) com desidratao chegando ao furfural. A vitamina C perde seu valor j na 1 etapa da reao. Os sucos armazenados sob congelamento sem desidratao podem ser armazenados por um ano. Ao ambiente oxidam facilmente devido a esta reao.

S

T

5. CONTROLE DO ESCURECIMENTO

Pode-se intensificar ou evitar as reaes. As reaes podem ocorrer concomitantemente em um alimento desde que haja condio de favorecimento delas ou de predominncia de uma sobre a outra. Os fatores para ocorrncia ou controle so:

5.1. Temperatura

Sempre com o aumento da temperatura, as reaes podem se iniciar ou serem intensificadas. Portanto, a refrigerao as inibir. Mas s vezes, o prprio aumento da temperatura pode fazer com que os componentes ou primeiros produtos interajam por outros mecanismos que vo inibir a reao. A sacarose inerte a baixas temperaturas, porm com o aquecimento sofre hidrlise para glicose e frutose, mais reativos que rapidamente caramelizam ou entram na reao de "Maillard". Os prprios aminocidos, se presentes, podem catalizar a hidrlise da sacarose. J o formaldedo produzido em consequncia poder bloquear a participao dos outros aminocidos na reao. A cada 10C de aumento da temperatura, a cor e o desprendimento de CO2 aumentam 2 a 3 vezes, em sistema-modelo. A frutose pode-se decompor quando presente nos alimentos, de 5 a 10 vezes a cada 10C de elevao da temperatura. A perda de nitrognio amnico proporcional ao aumento da temperatura, a partir de 0C at 90C.

5.2. Umidade

A gua cataliza as reaes. H produo de gua na prpria reao; autocatalizada (alimentos lquidos). Em sistema modelo glicose-glicina, o escurecimento aumenta com o aumento da umidade relativa, depois diminui (alimentos secos).

U

No leite em p armazenado a 40C em ambiente que permita a variao da atividade de gua (Aw), o escurecimento mais intenso a Aw 0,6. Nos extremos Aw < 0,4 e > 0,7 no h escurecimento. A Aw < 4,0 no escurece devido imobilizao dos componentes; no h gua que permita que os componentes se unam para reagir. A AW > 0,7 h efeito de "diluio" dos componentes tornando o meio viscoso, o que tambm no permite a reao. s vezes est se utilizando a adio de acar para diminuir a Aw dos alimentos, e est se aumentando indesejavelmente a cor. Em soluo aquosa o escurecimento primariamente devido caramelizao, mas no estado seco alcalino prevalesce "Maillard". A presena de gua em alimentos autoclavados previne o efeito deletrio no valor nutritivo das protenas

5.3. pH

O efeito do pH na caramelizao intenso. A soluo de glicose estvel a pH 2,8, faixa de estabilidade dos acares redutores. Mas, abaixo ou acima escurece. A reao de "Maillard" auto inibidora. A perda dos aminogrupos dos aminocidos leva sobra dos grupos cidos. Geralmente at pH 6,0 a contribuio de "Maillard" insignificante, depois aumenta. Generalizando: caramelizao, "Maillard" e oxidao do cido ascrbico podemos verificar que: Na ordenada da direita vemos a intensidade de cor. A pH de + 3,5 a 7 ocorre a caramelizao em meio cido e de 7 a 10 a caramelizao em meio alcalino. A partir de pH 7 ocorre "Maillard". Na ordenada da esquerda, h formao de HMF em pHs menores que 2, com um mximo de formao de HMF, devido a oxidao de cido ascrbico. O HMF livre vai diminuindo de pH 1 para 2,5 e de pH 4,0 para 2,5 porque vai se polimerizando e forma cor, colaborando para o escurecimento na faixa de 1 a 3,5. Nessa faixa mais difcil

V

haver escurecimento porque faixa mais de hidrlise de acares do que de polimerizaes. H formao de HMF, mas no polimeriza (picles). Em pHs alcalinos a reao de caramelizao predomina sobre "Maillard", quando juntas em um alimento. A tendncia da reao de "Maillard" ir usando os grupos NH2 do aminocido, sobrando os grupos cidos o que abaixa o pH do meio e inibe a reao. J a caramelizao autocatalizada pela produo de gua, o que no altera o pH.

5.4. Constituintes dos alimentos

Alm do controle fsico e qumico visto em 1, 2, e 3 podemos substituir um componente do alimento passvel de escurecer por outro menos reativo ou vice versa. Substituir a glicose pela sacarose, esta ainda tem que se hidrolisar e demora mais. Ainda a glicose pela frutose que tem grupamento cetnico que reage mais dificilmente com o aminocido do que o grupo aldedico da glicose. Verificar a solubilidade da frao protica de um alimento e substituir o mais solvel pelo de menor solubilidade (h 0.07% de protenas solveis no amido de milho e 0,01% no de sorgo). Em balas, a substituio do xarope de milho pelo acar invertido, (sacarose + cido trtarico), faz com que no haja escurecimento por "Maillard" porque o meio fica cido e tambm a caramelizao no ocorre porque o pH mais propcio hidrlise da sacarose e no formao de polmeros. O prprio caramelo usado como intensificador de cor e aroma em refrescos, molhos, balas e cerveja escura.

5.5. Outros recursos

So substncias adicionadas para bloquear a reao de "Maillard", reagem com o grupamento redutor antes do aminocido. As mais comuns so o metabissulfito e o anidrido sulfuroso, (SO2), este o melhor.

W

O bissulfito de sdio entra no C1 da glicose (reativo). O aminocido entra na cadeia com perda de uma molcula de gua. H bloqueio da reao porque um composto que

no possui mais grupo reativo. Esta reao pode ocorrer com qualquer composto intermedirio da reao de "Maillard". Esses aditivos no devem ser utilizados em alimentos fontes de vitamina B1 porque ela pode ser decomposta por eles. Os sais de clcio so utilizados neste caso. Em alimentos que contm lipdeos e podem se oxidar como o caso de peixes secos, convm evitar essa oxidao, com o uso de antioxidantes porque essa reao

X

dar o malonaldedo, que reage facilmente com o aminocido. Os peixes podem perder at 12% de lisina aps processamento a temperaturas de 100C para secagem.

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6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.

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