Nos últimos anos cresceu o interesse e a demanda dos consumidores por alimentos seguros e de qualidade, cujos atributos sensoriais e propriedades nutricionais são minimamente afetados. Para atender aos anseios desses consumidores, a aplicação de tecnologias não convencionais (emergentes) vem se tornando atrativa para a indústria de alimentos. Dentre as tecnologias não convencionais aplicadas no processamento de alimentos, destaca-se a homogeneização à alta pressão (HAP), também chamada homogeneização à ultra alta pressão, dependendo da pressão aplicada. Essa é uma tecnologia promissora no processamento de alimentos, visto que os variados efeitos sobre os constituintes alimentares justificam uma grande diversidade de aplicações industriais.
A primeira aplicação da HAP foi realizada pelas indústrias farmacêuticas e químicas para dispersar líquidos não miscíveis e criar/estabilizar emulsões. Com o tempo, essa tecnologia se expandiu para a área de alimentos para melhorar a eficiência de homogeneização e emulsificação de produtos lácteos e emulsões, apresentando o mesmo princípio de funcionamento dos homogeneizadores convencionais.
Posteriormente, a tecnologia foi sugerida para inativação microbiana/enzimática, sendo que pressões ≥200 MPa, associadas com condições de tratamento térmico brandas, emergiram como uma alternativa à pasteurização térmica convencional para preservar produtos alimentícios sensíveis aos danos causados pelo calor.
Atualmente, essa tecnologia tem sido explorada pelas indústrias de alimentos para outras finalidades, como por exemplo, para promover alterações nos constituintes dos alimentos que estão relacionadas ao rompimento dos glóbulos de gordura, diminuição do tamanho de partículas (como polissacarídeos lineares) e modificação da estrutura quaternária e terciária das proteínas/enzimas.
O homogeneizador à alta pressão surgiu com princípios semelhantes ao homogeneizador convencional, mas com uma pressão em torno de 10 a 15 vezes maior (de até 400 MPa) que as usualmente aplicadas.
A HAP é um processo mecânico que consiste em forçar um fluido a passar por meio de um pequeno orifício (gap) em altas pressões. Isso resulta em alto estresse mecânico e vários fenômenos físicos associados à energia cinética, pressão e energia térmica.
Após o fluido não homogeneizado passar pelo pequeno orifício, partículas menores e uniformes são obtidas. De acordo com a Lei de Conservação de Massa, à medida que a área de escoamento é reduzida, a velocidade aumenta. Em paralelo, durante esse processo, diversos fenômenos físicos ocorrem de forma sucessiva e/ou simultaneamente, como alto cisalhamento, turbulência, atrito e cavitação, ocasionados pelo choque das partículas, bem como pela despressurização abrupta durante o processamento. Esses efeitos são os principais responsáveis pelas modificações dos constituintes do leite, como ruptura dos glóbulos de gordura, desdobramento de proteínas e alterações estruturais enzimáticas, além de impactar no balanço de sais minerais e presença de vitaminas, dependendo da temperatura do processo.
Para algumas aplicações, esses efeitos são positivos, devido a maior estabilidade física do leite e derivados e à produção de biomoléculas (como as proteínas) para serem utilizadas como ingredientes alimentares. Além dos efeitos citados anteriormente, durante o processamento há um aumento da temperatura (aumento de 12°C a 20°C a cada 100 MPa). Dessa forma, a temperatura de entrada do produto deve ser cuidadosamente avaliada para evitar possíveis danos térmicos indesejados aos constituintes do leite (por exemplo, perdas de vitaminas termolábeis) ou, ao contrário, explorar a temperatura como fator adicional, além da pressão, para gerar as mudanças desejadas sobre os constituintes do leite. Caso a alteração térmica não seja desejada, o acoplamento de um sistema de refrigeração logo após a válvula de homogeneização é suficiente para reduzir o efeito térmico a um tempo curto (~1 segundo).
No leite de vaca, os glóbulos de gordura apresentam tamanhos que variam de 2 a 6 µm, embora possam existir em pequenas quantidades glóbulos atingindo 10 µm. Devido a diferença de densidade entre os glóbulos de gordura e a fase contínua, um fenômeno denominado cremeaçãoé observado quando o leite permanece em repouso, que ocorre devido a separação natural de grande parte dos glóbulos de gordura (principalmente os de diâmetros maiores) do restante dos componentes do leite. Dessa forma, pode-se dizer que o leite é instável cinética e termodinamicamente.
Uma das formas mais utilizadas para aumentar a estabilidade cinética do leite é por meio da homogeneização do leite. O leite comercial é homogeneizado com o objetivo de diminuir o tamanho dos glóbulos de gordura e melhorar sua estabilidade física, prolongando sua vida útil. A homogeneização promove a ruptura da membrana original dos glóbulos de gordura, resultando em uma redução no tamanho desses glóbulos devido aos efeitos apresentados anteriormente. Na homogeneização convencional (~15 MPa), os glóbulos de gordura são reduzidos de aproximadamente 3 µm para cerca de 1,5 a 0,5 µm, dependendo das condições de homogeneização aplicadas (pressão, temperatura, estágios de homogeneização e ciclos), criando uma camada de interface que contém caseínas e proteínas de soro de leite.
Um aumento adicional na pressão de homogeneização (até 200 MPa) pode diminuir ainda mais o tamanho dos glóbulos de gordura do leite, resultando em emulsões altamente estáveis. Adicionalmente, o incremento da temperatura (temperatura ótima na faixa de 40°C a 55°C) favorece ainda mais a dispersão e a redução do tamanho dos glóbulos de gordura, pois o processo é mais eficaz quando toda a gordura está na fase líquida. Em uma pressão de homogeneização maior (>250MPa), o tamanho do glóbulo de gordura do leite é ainda menor. Entretanto, esse tamanho pode aumentar ao longo do tempo, devido ao aumento da área superficial total dos glóbulos de gordura que dificulta a adsorção das proteínas do leite por não haver quantidade proteica suficiente. Dessa forma, a coalescência de parte dos glóbulos de gordura pode ocorrer durante a estocagem desse produto.
O leite de vaca contém aproximadamente um teor de proteína médio de 3,3%. Desse total, 80% correspondem as caseínas, presentes na forma de micelas, com destaque para as frações αs1-caseína, αs2-caseína, β-caseína e κ-caseína na proporção de 3:1:3:1, respectivamente. O restante, 20%, se refere as proteínas do soro, com destaque para β-lactoglobulina, α-lactalbumina, soro albumina, imunoglobulinas e lactoferrina.
Do ponto de vista nutricional, as proteínas do leite apresentam alto valor biológico por possuírem todos os aminoácidos essenciais em elevadas concentrações e por apresentarem boa digestibilidade. Sob o viés tecnológico, as proteínas do leite apresentam diversas propriedades técnico-funcionais, como solubilidade, capacidade emulsificante e capacidade de formar gel, que as tornam excelentes ingredientes alimentares. Durante o processamento do leite, a HAP pode induzir modificações estruturais das proteínas, principalmente das soroproteínas, alterando suas propriedades técnico-funcionais.
Em relação as caseínas, os efeitos da HAP são consideravelmente menores quando comparados com os efeitos nos glóbulos de gordura do leite. A HAP pode levar a fragmentação das micelas de caseína. No entanto, diminuições no tamanho das partículas após a HAP (por exemplo, 200 MPa), mesmo com a aplicação de até seis passagens pelo homogeneizador, são apenas da ordem de 10% a 15%.
Por outro lado, em processos conduzidos em pressões extremas (300 a 400 MPa), observa-se uma redução no tamanho médio de até 50%, independentemente da temperatura de processo. Esse fenômeno ocorre devido a quebra das interações hidrofóbicas e solubilização parcial do fosfato de cálcio coloidal, levando à solubilização das frações de caseína. Entretanto, a combinação de alta temperatura e elevada concentração de cálcio durante o processo de HAP (200 a 250 MPa) pode induzir a agregação proteica, resultado no aumento do tamanho das micelas de caseína.
As proteínas do soro, por sua vez, são susceptíveis à desnaturação durante a homogeneização (Figura 5). No leite desnatado, a desnaturação da proteína do soro aumenta com o aumento da pressão de homogeneização e a aplicação de uma segunda etapa de homogeneização. Por outro lado, no leite integral, o grau de desnaturação das proteínas do soro após a HAP é mais difícil de determinar, pois as proteínas do soro podem se associar à membrana glóbulo de gordura do leite durante a homogeneização, seja em seu estado nativo ou desdobrado.
Esses efeitos estruturais causados pela HAP nas proteínas de leite podem potencializar algumas propriedades técnico-funcionais, como aumento de solubilidade das caseínas pela fragmentação ou melhoria nas propriedades emulsificantes, espumantes e de capacidade de retenção de água e óleo das proteínas do soro por desnaturação. Além disso, mudanças estruturais nas proteínas também podem facilitar sua hidrólise por ação enzimática, tecnologicamente utilizada para a produção de peptídeos com desejáveis características técnico-funcionais e/ ou biológicas, como ação antioxidante, anti-hipertensiva, antidiabética e imunomoduladora.
A HAP pode afetar a atividade e a estabilidade de enzimas. Esses efeitos estão diretamente correlacionados com as condições de processo (pressão, temperatura, número de ciclos), bem como com as características estruturais de cada enzima e fatores do meio com pH, composição e concentração enzimática.
A maioria dos estudos que avaliaram o efeito da HAP foram realizados com o objetivo de inativar enzimas indesejáveis, como proteases e lipases produzidas por psicrotróficos. Por outro lado, a ativação e aumento na estabilidade são requeridos para algumas enzimas com função antimicrobiana por exemplo, como lisozima, lactoperoxidase.
A HAP pode aumentar a solubilidade de alguns minerais, como o cálcio e fósforo, devido a fragmentação das micelas de caseína, embora a solubilização desses sais não seja tão intensa. Foram encontradas solubilização do fosfato de cálcio coloidal de 8% e 30%, nas pressões de 150 e 300 MPa, respectivamente. Já as vitaminas hidrossolúveis e lipossolúveis podem ser afetadas negativamente com a homogeneização à alta pressão, quando o processo é realizado à altas temperaturas.
Dentre as principais tecnologias inovadoras aplicadas à indústria de laticínios, a homogeneização à alta pressão tem se mostrado bastante interessante, oferecendo resultados melhores quando comparados à homogeneização convencional. A sua aplicação no leite fluido resulta em alterações dos seus constituintes e, consequentemente, de suas propriedades funcionais.
Assim, a inclusão da HAP no processamento do leite antes da produção de derivados lácteos resulta em produtos mais estáveis, com maior rendimento e sabor e aromas intensificados, o que pode estimular as indústrias a investirem nessa tecnologia.
Fonte: Milk Point
