Development of a colorimetric indicator, using a residue from grape juice processing, for food freshness monitoring

Abstract

Filmes indicadores colorimétricos foram desenvolvidos para avaliação da qualidade de alimentos através do reaproveitamento do resíduo sólido, do tipo não-bagaço (NPG), da centrifugação do suco de uva, atualmente inexplorado em sistemas inteligentes para embalagens de alimentos. As dispersões foram obtidas por complexação polieletrolítica de alginato e gelatina e alginato e quitosana, com e sem adição de NPG, nas seguintes composições (m/m): alginato e gelatina (75 % + 25 %, AG); alginato, gelatina e NPG (75% + 25% + 0.5 g 100 g complexo -1 , AG0.5); alginato, gelatina e NPG (75% + 25% + 1.0 g 100 g complexo -1 , AG1.0); alginato e quitosana (75% + 25%, ACH); alginato, quitosana e NPG (75% + 25% + 0.5 g 100 g complexo -1 , ACH0.5); alginato, quitosana e NPG (75% + 25% + 1.0 g 100 g complexo -1 , ACH1.0). A adição de NPG afetou a estabilidade e o comportamento reológico dos complexos AG e ACH, que apresentaram características predominantemente viscosas e viscoelásticas, respectivamente, evidenciadas pelo comportamento de creep-recovery. O NPG afetou as propriedades hidrofílicas dos filmes indicadores. A umidade diminuiu em até 35 %, a solubilidade dos filmes AG aumentou, e não houve efeito significativo na permeabilidade ao vapor de água, exceto para a amostra ACH1.0, na qual alterações microestruturais promovidas pelo processo de secagem podem ter aumentado a difusão através do filme. As propriedades mecânicas e ópticas também foram alteradas, assim como a morfologia, formando-se filmes de menor transmissão de luz com estruturas mais heterogêneas e rígidas. Esse comportamento corroborou-se pela avaliação da topografia superficial dos filmes, cujos valores de rugosidade média para os filmes AG e ACH aumentaram cerca de 91 % e 52 %, respectivamente, após a adição do maior teor de NPG. Os difratogramas das amostras e os espectros de FTIR demonstraram que o NPG interagiu de maneira diferente com os dois complexos, e os compostos fenólicos do NPG podem ter atuado como um agente de reticulação para o complexo ACH, o que aumentou as interações intermoleculares e intramoleculares entre alginato e quitosana. Isto evidenciou-se na molhabilidade, que aumentou após adição de NPG, bem como na avaliação das propriedades termodinâmicas. As isotermas de adsorção de água dos filmes foram determinadas a 20, 30 e 40 °C, a partir das quais foram obtidas as propriedades termodinâmicas de sorção. O modelo GAB apresentou o melhor ajuste para os dados de adsorção, que foi um processo controlado por entalpia. As menores perdas de massa até 100 °C foram encontradas para os filmes ACH, que apresentaram os maiores módulos de armazenamento e perda na análise dinâmico-mecânica. Um novo método foi proposto para avaliar a biodegradabilidade dos filmes, por meio da avaliação da perda de área por análise digital de imagens. A adição de NPG diminuiu a biodegradabilidade, com perdas de área de 90,02 % a 35,90 % após 30 dias em ambiente fechado. Testes de eficiência colorimétrica dos filmes foram realizados em soluções tampão ácido lático / lactato e na fase gasosa com amônia, como sistemas modelo para a deterioração de produtos lácteos e cárneos, respectivamente. Eles também foram aplicados como indicadores de frescor em amostras de leite integral. Em geral, menores teores de NPG foram mais eficientes para diferenciação de cores pelo visualizador. A quantificação do desvio cromático vermelho em função do pH foi promissora para avaliar a mudança visual de cor por análise digital de imagens para aplicação dos filmes em embalagens de alimentos.

Colorimetric indicator films were developed for food freshness assessment through the solid residue from the centrifugal separation process of grape juice upcycling, a non-pomace residue (NPG) currently unexplored in the development of intelligent systems for food packaging. The film-forming matrix was obtained by polyelectrolyte complexation of alginate and gelatin and alginate and chitosan, with and without NPG addition, with the following composition (w/w): alginate and gelatin (75 % + 25 %, AG); alginate, gelatin and NPG (75% + 25% + 0.5 g 100 g complex -1 , AG0.5); alginate, gelatin and NPG (75% + 25% + 1.0 g 100 g complex -1 , AG1.0); alginate and chitosan (75% + 25%, ACH); alginate, chitosan and NPG (75% + 25% + 0.5 g 100 g complex -1 , ACH0.5); alginate, chitosan and NPG (75% + 25% + 1.0 g 100 g complex -1 , ACH1.0). The NPG addition affected the stability and the rheological behavior of the AG and ACH complexes, which presented predominantly viscous and viscoelastic characteristics, respectively, evidenced by their creep-recovery behavior. The NPG affected the water-related properties of the indicator films. It decreased their moisture by up to 35 %, increased the solubility of the AG films, and had no significant effect on their water vapor permeability, except for the ACH1.0 sample, in which microstructure changes promoted by the drying process may have increased the diffusion through the film. The mechanical and optical properties were also affected, as well as the morphology with the formation of films with lower light transmission, and more heterogeneous and rigid structures. This behavior was corroborated by the films’ surface topography evaluation, whose average roughness values for the AG and ACH films increased by about 91 % and 52 %, respectively, after the highest content of NPG addition. The samples’ diffractograms and FTIR spectra demonstrated that NPG interacted differently with the two complexes, and the NPG phenolic compounds may have acted as a crosslinking agent for the ACH complex, which enhanced intermolecular and intramolecular interactions between alginate and chitosan. This behavior was evidenced in the wettability evaluation, which was increased by the NPG addition, as well as in the evaluation of thermodynamic properties. The films’ water adsorption isotherms were determined at 20, 30, and 40 °C, from which the thermodynamic properties of sorption were obtained. The GAB model presented the best fit for the adsorption data, which was an enthalpy-controlled process. The lowest mass losses up until 100 °C were found for the ACH films, which showed the highest storage and loss modules in dynamic mechanical analysis. A new method was proposed to evaluate the biodegradability of films, by area loss assessment through digital image analysis. NPG addition decreased the films’ biodegradability, whose area losses ranged from 90.02 % to 35.90 % after 30 days under indoor soil conditions. Colorimetric efficiency tests of the films were performed in acid lactic / lactate buffer solutions and in the gaseous phase with ammonia, as model systems for the deterioration of dairy and meat products, respectively. They were also applied as freshness indicators in whole milk samples. In general, lower NPG contents were more efficient for color differentiation by the viewer. The red chromatic shift quantification as a function of pH was promising to evaluate the visual color change by digital image analysis for the films’ application on food packaging.