Aplicação de espectroscopia Raman no monitoramento dos carotenoides em alimentos processados

Abstract

A espectroscopia Raman tem ganhado cada vez mais importância em diversos ramos de pesquisa em processos industriais. Como uma técnica vibracional, é através de padrões espectrais específicos que substâncias podem ser identificadas e transformações moleculares podem ser observadas com alta especificidade. As principais vantagens da tecnologia Raman estão na análise rápida, não invasiva e não destrutiva, com o mínimo preparo da amostra. Contudo, a qualidade dos espectros resultantes limita-se a concentrações do analito e à intensidade da vibração molecular durante a incidência de radiação. Paralelamente a isso, no setor alimentício, os carotenoides são compostos bioativos de grande interesse devido aos benefícios que o seu consumo traz à saúde e ao perfil consumidor que deseja consumir produtos de maior qualidade nutricional. Nesse sentido, esses compostos vêm sendo amplamente estudados, a fim de elucidar suas propriedades físico-químicas, estabilidade durante estocagem e processamento, biodisponibilidade e implicações na saúde humana. Além disso, os carotenoides estão presentes em plantas como frutas e vegetais e não são sintetizados em animais. Assim, devido à instabilidade dos carotenoides, entende-se a importância em monitorar as suas perdas durante o processamento térmico. Essas perdas, por sua vez, ocorrem porque o aquecimento inativa as enzimas responsáveis pela carotenogênese e estimula a isomerização e a degradação oxidativa dos carotenoides. Assim, no contexto de aliar essas tecnologias não intrusivas com a preservação da qualidade dos produtos e sua ampliação do tempo de prateleira, esse trabalho investiga a espectroscopia Raman como um método analítico alternativo e potencial para monitoramento da degradação dos carotenoides presentes em alimentos suscetíveis a diferentes condições de processamento térmico. Neste trabalho, amostras de batata-doce de polpa alaranjada foram desidratadas através da secagem convectiva com ar quente e por micro-ondas com tambor rotativo e pressão reduzida. Também foram avaliadas amostras da polpa da fruta Bunchosia glandulífera secas nas temperaturas de 65 e 85 °C. O teor dos carotenos, que incluem o β-caroteno e o licopeno, durante diferentes tempos de secagem foi avaliado utilizando o espectrofotômetro Raman com frequência do laser de excitação em 532 nm. Para as análises quantitativas foi aderida a técnica proposta com e sem padrão interno de TiO2 na fase rutilo. Além disso, foram realizadas a análise dos componentes principais (PCA) e a regressão por mínimos quadrados parciais (PLS), sendo esta técnica quimiométrica validada pelo método já consolidado de leitura da absorbância em espectrofotômetro visível do extrato em éter de petróleo. Como resultados, os melhores coeficientes de regressão para amostras de batata-doce foram R2=0,90 para a secagem convectiva e R2=0,88 para micro-ondas. Para ambas, a redução no teor de carotenos totais ao final da secagem foi de aproximadamente 50%. Já para as amostras de B. glandulifera, modelos com R2=0,96 foram alcançados. A reprodutibilidade e homogeneidade das amostras também foram avaliadas. Além disso, estudos de filtros de suavização do sinal espectral no pré-processamento de dados foram realizados utilizando o conjunto global de amostras. Como resultado, a utilização do filtro digital chamado filtfilt implicou na remoção parcial do ruído espectral e proporcionou a construção de modelos de classificação supervisionados - análise discriminante de mínimos quadrados parciais (PLS-DA) e algoritimos de máquina supervisionados - com até 90 % de acurácia.

Raman spectroscopy has gained increasing importance in several fields of research in industrial processes. As a vibrational technique, it is through specific spectral patterns that substances can be identified and molecular transformations can be observed with high specificity. The main advantages of Raman technology are fast, non-invasive and non-destructive analysis, with minimal sample preparation. However, the quality of the resulting spectra is limited to analyte concentrations and the intensity of molecular vibration during radiation incidence. At the same time, in the food sector, carotenoids are bioactive compounds of great interest due to the benefits that their consumption brings to health and to the consumer profile that wants to consume products with higher nutritional quality. In this sense, these compounds have been widely studied in order to elucidate their physicochemical properties, stability during storage and processing, bioavailability and implications for human health. Furthermore, carotenoids are present in plants such as fruits and vegetables and are not synthesized in animals. Thus, due to the instability of carotenoids, the importance of monitoring their losses during thermal processing is understood. These losses, in turn, occur because heating inactivates the enzymes responsible for carotenogenesis and stimulates the isomerization and oxidative degradation of carotenoids. Thus, in the context of combining these non-intrusive technologies with the preservation of product quality and its extension of shelf life, this work investigates Raman spectroscopy as an alternative analytical method and potential for monitoring the degradation of carotenoids present in foods susceptible to different thermal processing conditions. In this work, samples of orange-fleshed sweet potato were dehydrated by convective drying with hot air and microwaves with a rotating drum and reduced pressure. Samples of the fruit pulp of the Bunchosia glandulifera fruit dried at constant temperature at 65 and 85 °C were also evaluated. The content of carotenes, which include β-carotene and lycopene, during different drying times was evaluated using a Raman spectrophotometer with excitation laser frequency at 532 nm. For quantitative analysis, the proposed technique was used with and without an internal standard of TiO2 in the rutile phase. In addition, principal component analysis (PCA) and partial least squares regression (PLS) were performed, and this chemometric technique was validated by the already consolidated method of absorbance reading in a visible spectrophotometer of the petroleum ether extract. As a result, the best regression coefficients for sweetpotato samples were R2=0.90 for convective drying and R2=0.88 for microwave. For both, the reduction in the content of total carotenes at the end of drying was approximately 50%. As for the samples of B. glandulifera, models with R2=0.96 were achieved. The reproducibility and homogeneity of the samples were also evaluated. In addition, spectral signal smoothing filter evaluations in data pre-processing were performed using the global set of samples. As a result, the use of the digital filter filtfilt resulted in the partial removal of spectral noise and provided the construction of supervised classification models - discriminant analysis of partial least squares (PLS-DA) and supervised machine algorithms - with up to 90% accuracy.