Characterisation of new hydrocolloids to be used as food coatings and integration of their application with ohmic heating

Abstract

The interest in the development of edible films and coatings for foods has grown considerably due to consumers demand for high quality foods and environmental concerns over the disposal of nonrenewable food packaging materials. The potential of edible films to control water transfer, and to improve food quality and shelf life, has received increasing attention from researchers and industry. Currently, technologies utilizing electrical fields directly into food processing raised a significant interest in the food industry. Several of those are now being used on a commercial scale for processing of an extensive range of food products. The application of electric fields has also been addressed by researchers in the area of edible films and coatings. In this context, the leitmotiv of this Thesis is to provide added-value to natural materials from renewable sources (algae from sea-farms and by-products from the fishing industry) with the more “at-large” objective of bringing development to underdeveloped regions of the World. In particular, the research undertaken was directed to the chemical characterization and evaluation of the antioxidant activity of sulfated polysaccharides from the red seaweed Gracilaria birdiae (Gb), farmed in the north-eastern coast of Brazil. The work performed allowed to conclude that the sulfated polysaccharide from Gb is composed of galactose (65.4 %) and methyl derivatives 6-O-methyl-galactose (9.2 %) and in smaller quantities 3-O- and 4-O-methyl-galactose (0.33 %). This polysaccharide also presents a high content of 3,6-anhydrogalactose (25.6 %) and has a sulfate content of 8.4 %. The sulfated polysaccharide of Gb characterized by FTIR exhibits the characteristic bands of agarocolloids (at 1375 and 770 cm-1). It has also been shown that the Gb sulfated polysaccharide is a promising agent to be evaluated for the application in the food industry, and that it presents a significant antioxidant activity. A study of the applications of this sulfated polysaccharide was performed and the possibility of using it as coating material on semi-hard cheese was found. The choice of the best coating was made taking into consideration its wettability, permeability and opacity properties. A second objective was related with determining the effect of field strength on transport properties of chitosan coatings (obtained from lobster from the Cuban coasts). Four different field strengths were tested (50, 100, 150, 200 V·cm-1) and, for each electric field treatment, the water vapor, oxygen and carbon dioxide permeabilities of the films formed were determined, together with their color, opacity and solubility in water. Results showed that electric field had statistically significant effects on film’s physical properties and structure. In general, the most pronounced effect of the field strength was observed for treatments made at 100 Vcm-1 or higher, a positive correlation being found between the water vapor, oxygen and carbon dioxide permeability coefficients and field strength. In the same perspective the effect of electric fields applied at different field strength values on mechanical and thermal properties of chitosan films/coatings was evaluated. XRD analyses indicated that electrically treated chitosan films exhibited a more ordered structure and a clearly higher crystallinity when compared with non-treated films, thus displaying significant effects on the value of the crystallinity index (CI). SEM micrographs evidenced that the surface morphology of chitosan films was influenced by the electric field. In fact, the electric field treatment led to a structure with more regular layers. The application of the electric field to chitosan film-forming solutions resulted in an increase of the tensile strength (ca. 9 %) and elongation-at-break (ca. 18 %) of the corresponding chitosan films. The reported results demonstrate that the application of an electric field to film-forming solutions of chitosan is an interesting instrument to taylor relevant properties of the films or coatings produced from them. Finally, the effects of the application of chitosan coating with or without electric field treatment in sliced salmon stored in ice at 0 °C were analyzed. In a first stage, the surface properties of salmon fillets and the wetting capacity of the coatings on fish were evaluated. The best wettability results were obtained with 1 % chitosan solutions with a spreading coefficient (Ws) of -4.73 mN·m-1. For shelf-life analyses the fillets were coated and stored at 0 °C for 18 days. The control and the coated fish samples were analyzed periodically for total mesophilic count (TPC), pH, total volatile base nitrogen (TVB-N), trimethylamine (TMA), thiobarbituric acid (TBA) and ATP breakdown products (K-value). A significant reduction (p < 0.05) in pH and K-value starting from the sixth day until the end of analysis (day 18) and in TVB, TMA and TBA from the ninth until the last day, was observed for fish samples coated with chitosan, when compared to control samples. In terms of microbial growth, a slower increase in TPC was observed for the coated fish, indicating that chitosan-based coatings were effective in extending for 3 more days the shelf-life of salmon. These results demonstrate that chitosan-based coatings may be an alternative for extending the shelf-life of salmon fillets during storage at 0 °C. However, no significant differences (p < 0.05) were observed between chitosan coatings with or without electric field treatment. In short, the sulfated polysaccharide of Gb is a promising coating-forming and antioxidant agent for applications in the food industry. The application of electric fields during chitosan coating solutions preparation may provide a novel method for production of coatings with taylored properties. However, further research is needed for a clearer understanding of the importance of these changes on real food systems. Important data have also been generated on the use of chitosan edible coatings on fish.

Nos dias de hoje, é grande o interesse no desenvolvimento de filmes e revestimentos comestíveis ou biodegradáveis, principalmente devido à demanda por alimentos de alta qualidade, e preocupações ambientais sobre o descarte de materiais não renováveis de embalagem para alimentos. O potencial dos filmes comestíveis em controlar a transferência de vapor de água, melhorar a qualidade dos alimentos e do tempo de prateleira, tem recebido atenção dos pesquisadores e das indústrias. A utilização de tecnologias utilizando campos eléctricos directamente nos alimentos processados gerou um interesse significativo na indústria alimentar. Várias destas tecnologias são usadas em escala comercial no processamento de vários produtos alimentares. A aplicação de campos eléctricos também tem despertado o interesse de pesquisadores na área de filmes e revestimentos edíveis. Neste contexto, o propósito da presente tese foi no sentido de oferecer um valor acrescentado aos materiais naturais de fontes renováveis (algas marinhas cultivadas e subprodutos da indústria da pesca) com um objectivo maior de levar o desenvolvimento para regiões subdesenvolvidos. Em particular, a investigação realizada foi direccionada para a caracterização química e avaliação da actividade antioxidante de polissacarídeos sulfatados da alga vermelha Gracilaria birdiae (Gb). O trabalho realizado permitiu concluir que os polissacarídeos sulfatados de Gb são compostos de galactose (65,4 %) e derivados metil 6-O-metil-galactose (9,2 %) e em menores quantidades 3-O-e 4-O - metil-galactose (0,33 %), 3,6-anhydrogalactose (25,6 %) e um teor de sulfato de 8,4 %. As analises por FTIR apresentou bandas características de agarocolóides (a 1375 e 770 cm-1). Também se demonstrou que o polissacarídeo sulfatado é um agente promissor para aplicação na indústria de alimentos, e que apresenta uma actividade antioxidante significativa. Realizou-se um estudo das possíveis aplicações deste polissacarídeo. Em particular, estudou-se a possibilidade da sua utilização como cobertura em queijo semi-rígido, tendo a escolha do melhor revestimento sido feita considerando a sua molhabilidade, permeabilidade a gases e opacidade. Um segundo objectivo foi determinar o efeito da intensidade de campos eléctricos nas permeabilidades dos revestimentos de quitosano (obtidos a partir de lagosta capturada em águas costeiras de Cuba). Testaram-se quatro intensidades de campo diferentes (50, 100, 150, 200 V .cm-1) e, para cada uma delas, determinaram-se as permeabilidade ao vapor de água, oxigénio e dióxido de carbono dos filmes formados, juntamente com a respectiva cor, opacidade e solubilidade em água. Os resultados mostraram que a aplicação do campo eléctrico alterou a estrutura e as propriedades físicas dos filmes. Em geral, o efeito mais pronunciado da intensidade do campo observou-se para os tratamentos realizados a 100 Vcm-1 ou mais, encontrando-se uma correlação positiva entre as permeabilidades e a intensidade do campo. Em uma mesma perspectiva avaliou-se o efeito de campos eléctricos sobre as propriedades mecânicas e térmicas de filmes de quitosano. Os resultados de difracção de raios X indicaram que os filmes electricamente tratados exibiram uma estrutura mais ordenada e uma cristalinidade claramente superior quando comparados com os filmes não-tratados, mostrando efeitos significativos no valor do índice de cristalinidade (IC). A observação de amostras por microscopia electrónica de varrimento evidenciou que a morfologia da superfície dos filmes de quitosano foi influenciada pelo campo eléctrico, tendo originado estruturas com camadas mais regulares. Amostras electricamente tratadas apresentaram um aumento da resistência à tracção (cerca de 9 %) e do alongamento, (cerca de 18 %) dos filmes de quitosano. No seguimento estudaram-se os efeitos da aplicação dos revestimentos de quitosano anteriormente desenvolvidos, com ou sem tratamento eléctrico, em filetes de salmão resfriado, armazenados a 0 °C. Numa primeira fase, avaliaram-se as propriedades de superfície dos filetes e a capacidade molhante dos revestimentos. Os melhores resultados de molhabilidade, foram obtidos com soluções a 1 % de quitosano com um coeficiente de espalhamento de -4,73 mNm-1. Para análise do tempo de prateleira, os filetes foram revestidos e armazenados a 0 °C por 18 dias. As amostras de controlo e as amostras de peixe revestidas foram analisadas periodicamente para contagem de mesófilos totais (TPC), pH, e para a quantificação das bases nitrogenadas voláteis totais (N-BVT), trimetilamina (TMA), ácido tiobarbitúrico (TBA) e produtos de degradação do ATP (K-valor). Observou-se uma redução significativa para amostras de peixe revestido com quitosano, quando comparadas com amostras controle (p < 0,05) no pH e no K-valor partir do sexto dia até o final de análise (dia 18) e nos testes de N-BVT, TMA e TBA a partir do nono até o último dia. Em termos de crescimento microbiano, observou-se um aumento mais lento do TPC para os peixes revestidos, prorrogando por mais três dias o prazo de validade do salmão. Os revestimentos de quitosano podem constituir uma alternativa para prolongar o tempo de prateleira de filetes de salmão durante o armazenamento a 0 °C. Não foram observadas diferenças significativas (p < 0,05) entre o revestimento de quitosano com e sem tratamento com campo eléctrico. Em resumo, o polissacarídeo sulfatado de Gb rico em actividade antioxidante, é um agente promissor na formação de revestimentos comestíveis. A aplicação de campos eléctricos durante a preparação de soluções de revestimento de quitosano podem fornecer uma nova metodologia para a produção de revestimentos comestíveis. Entretanto, mais pesquisas são necessárias para uma compreensão mais clara da importância destas mudanças nos sistemas alimentares. Dados importantes também foram geradas sobre o uso de revestimentos de quitosano em peixes.