Les craintes exprimées

7.3.1 Caracterização da borra de café

A borra de café proveniente de uma empresa produtora de café solúvel passou por processo de secagem e foi caracterizada quanto a distribuição de tamanhos das partículas, potencial zeta das partículas, morfologia das partículas, composição (carbono, nitrogênio e hidrogênio) e espectro na região do infravermelho. A distribuição de tamanhos das partículas que compõem a borra de café está apresentada na Figura 41A. É possível verificar que o resíduo da indústria de café solúvel apresenta alta polidispersidade, com tamanhos variando entre 37 m até aproximadamente 10 mm. O diâmetro médio obtido foi de 2,09 ± 0,33 mm. A distribuição de tamanho apresentada na Figura 41A foi obtida através do método de separação em peneiras. Cada fração retida nas peneiras utilizadas foi separada para posterior utilização (Figura 41B). Na Figura 41C está apresentada a distribuição de tamanho de duas frações que foram separadas. A cada fração foi dado um nome conforme o mesh da peneira correspondente. Essa distribuição de tamanhos da Figura 41C foi obtida por difração a laser e esta técnica não pode ser utilizada em algumas frações devido ao limite máximo de tamanho mensurável pelo equipamento. Ambas as distribuições mostradas na Figura 41C apresentaram mais de um pico, que pode estar relacionado à aglomeração das partículas quando dispersas em água ou ao inchamento das mesmas (a dispersão em água destilada é realizada durante as determinações feitas no equipamento de difração a laser).

Figura 41. A) Distribuição de tamanho das partículas da borra de café. B) Frações separadas por tamanho através da utilização de peneiras com mesh 3,5, 14, 30, 70, 100, 120 e 200. C) Distribuição de tamanho das partículas das frações retiradas das peneiras com mesh 400 e 100.

Já a Tabela 16 apresenta o rendimento mássico de cada fração retida nas peneiras. O maior rendimento foi da fração com tamanho médio de 3535 m (Mesh 14), seguida das frações obtidas nas peneiras com mesh 30 (Dmédio = 985 m) e 70 (Dmédio = 385 m). Isso mostra que partículas de

tamanho micrométrico estão presentes na borra de café em quantidades consideráveis e podem ser utilizadas após um processo simples de separação. A fração de menor tamanho foi obtida em peneira de mesh 400, com diâmetro médio de 49,5 m. Essa fração apresentou o menor rendimento mássico (0,03% m/m).

Tabela 16. Rendimento mássico das frações de borra de café.

Peneira Poro D médio Fração (mesh) (m) (m) mássica (%) 400 37 49,5 0,03 ± 0,07 230 62 68,5 0,86 ± 0,20 200 75 100 0,78 ± 0,34 120 125 137 0,87 ± 0,30 100 149 179,5 2,32 ± 1,01 70 210 385 14,5 ± 3,51 30 560 985 34,72 ± 2,73 14 1410 3535 38,22 ± 5,53 3,5 5660 7000 7,69 ± 2,58

As frações de mesh 100 (Dmédio =179,5 m) e 400 (Dmédio = 49,5 m) foram caracterizadas

por microscopia eletrônica de varredura, como pode ser observado na Figura 42. Uma composição heterogênea pode ser observada, destacando-se a presença de estruturas alongadas que é característica de materiais fibrosos.

Figura 42. Microscopia eletrônica de varredura das frações 100 (Dmédio =179,5 m) e 400 (Dmédio = 49,5 m).

Na Figura 43 está apresentada a variação do potencial zeta em função do pH da borra de café. A variação da carga superficial das partículas frente ao pH pode influenciar na sua capacidade emulsificante. Porém, o equipamento utilizado permite avaliar o potencial zeta em partículas de até 100 m. Assim, o potencial zeta foi avaliado apenas na fração com menor tamanho médio (fração 400, com diâmetro médio de 49,5 m). Foi possível verificar que a dispersão da borra em água tinha um pH natural em torno de 5,0. Nessas condições, a borra apresenta potencial zeta negativo, próximo de -25 mV. O ponto de carga zero corresponde aproximadamente ao pH de 3,3. Abaixo desse valor de pH o potencial zeta é positivo.

Figura 43. Variação do potencial zeta em função do pH da fração 400 (Dmédio = 49,5 m ) da borra de café.

A borra de café apresenta composição similar ao grão de café, contendo majoritariamente carboidratos, sendo hemicelulose o polissacarídeo encontrado em maior quantidade, seguido de celulose. Também apresenta uma porção considerável de compostos nitrogenados, que podem incluir proteínas, cafeína, trigonelina, aminas e aminoácidos livres (MUSSATTO et al., 2011). Considerando a complexidade de sua composição, as frações de borra resultantes dos processos de moagem e extração do café podem apresentar uma composição diferente para cada fração. Assim, dependendo da fração escolhida, propriedades diferentes poderiam ser encontradas, e, portanto, partículas com diferentes capacidades emulsificantes poderiam ser obtidas.

Sendo assim, o teor de hidrogênio, nitrogênio e carbono de cada fração foram determinados e estão apresentados na Figura 44. É possível verificar que houve pequenas diferenças nos teores de carbono, hidrogênio e nitrogênio conforme o tamanho da fração analisada. Além disso, ao se analisar as razões de N/C e H/C de cada fração, resultados bastante semelhantes foram observados, indicando que não há diferença significativa na composição das diferentes frações.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 P ot e n ci al Z et a (m V) pH

Figura 44. Composição elementar CHN das frações da borra de café.

Também foram analisados os espectros de absorção na região do infravermelho para algumas frações (Figura 45). A espectroscopia no infravermelho se baseia no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibrações específicas, as quais correspondem aos níveis de energia da molécula (chamados nesse caso de níveis vibracionais). Se a molécula receber radiação eletromagnética com 'exatamente' a mesma energia de uma dessas vibrações, então a luz será absorvida, desde que sejam atendidas determinadas condições (STUART, 2004). Nesse tipo de espectroscopia um feixe de radiação infravermelha passa pela amostra e a quantidade de energia transmitida é registrada e utilizada para a construção de um gráfico em função número de onda utilizado (normalmente uma faixa entre 4000-400 cm-1).

Na Figura 45A foram apontadas as principais informações que o espectro obtido possui. A banda mais larga em aproximadamente 3400 cm-1 inclui diversos modos vibracionais atribuídos principalmente aos grupos –OH e, com menor contribuição, aos grupos funcionais contendo -NH. A presença dos grupos metil e metileno foi confirmada pelos dois picos agudos que aparecem em 2925 cm-1 e 2855 cm-1, atribuídos ao estiramento assimétrico e simétrico de ligações C-H em cadeias

alifáticas. Estes picos foram previamente relacionados à presença de cafeína em café torrado (CRAIG et al., 2012). Os mesmos picos também foram relacionados à presença de lipídeos em milho e farinha de milho (CREMER & KALETUNC, 2003). Como a cafeína é altamente solúvel em água quente, é mais provável que estes picos estejam relacionados à presença de lipídeos nas borras de café avaliadas (PUJOL et al., 2013).

A banda que aparece em 1742 cm-1 está associada com a vibração de grupos carbonila (C=O) em ésteres alifáticos ou em triglicerídeos. Portanto, esta banda também pode ser atribuída à presença de lipídeos. As bandas de baixa intensidade entre 1665 a 1000 cm-1 indicam presença de ligações C=C e C-H, e foram atribuídas por alguns autores à presença de lipídeos, carboidratos, como lignina, e de ácidos clorogênicos (WANG & LIM, 2012; CLIFFORD et al., 2008). Ácidos clorogênicos são compostos fenólicos que contribuem para o sabor do café e são de importância bio-farmacológica potencial para os seres humanos (FARAH et al., 2006). No entanto, a espectroscopia de infravermelho não é capaz de distinguir as bandas correspondentes aos ácidos clorogênicos e aos polissacarídeos, e uma análise cromatográfica seria necessária para confirmar a presença de ácidos clorogênicos na amostra (PUJOL et al., 2013).

Já a Figura 45B apresenta os perfis de absorção de diferentes frações de borra de café. Os perfis das amostras analisadas foram semelhantes, mostrando que não há diferença significativa de composição entre as diferentes frações da borra, confirmando o resultado obtido na análise de composição CHN.

Figura 45. A) Espectro de absorção na região do infravermelho da fração 400 com as principais bandas interpretadas através da comparação com trabalhos similares. B) Espectros de absorção na região do infravermelho das frações de borra de café 70 (Dmédio = 385 m), 120 (Dmédio = 137 m), 230 (Dmédio = 68,5

m) e 400 (Dmédio = 49,5 m).

No geral foi possível verificar que a borra de café é um material constituído de partículas com tamanho médio variando numa faixa bastante abrangente (37 m a 10 mm), que a morfologia dessas partículas é bastante heterogênea, predominando o formato característico de material fibroso. Quando dispersas em água, as partículas apresentam um potencial zeta negativo (-25 mV) no pH natural (5,0). Essa carga pode contribuir para manter o equilíbrio das partículas em uma dispersão, aumentando o tempo até que a sedimentação aconteça. Também se concluiu que não há diferenças significativas de composição entre as diferentes frações.

7.3.2 Redução de tamanho das partículas da borra de café

Com o intuito de tornar as partículas mais adequadas para uso como emulsificantes em emulsões é preciso reduzir o tamanho das mesmas. Assim alguns métodos foram utilizados e os resultados encontram-se a seguir. A maioria dos ensaios foi feita utilizando como amostra a fração 100 (179,5 m).

7.3.2.1 Método químico: hidrólise ácida

Foram feitos 8 ensaios de hidrólise ácida em diferentes condições (descritas na Tabela 15 da seção 7.2.3) partindo-se da fração de mesh 100 de borra de café (Figura 46). Os resultados de diâmetro médio e span estão apresentados na Tabela 17. Todas as hidrólises efetuadas resultaram em redução do tamanho das partículas, em que o diâmetro médio superficial (D32) original de

aproximadamente 180 m foi reduzido para a faixa de 47 a 84 m, dependendo das condições do ensaio. A polidispersidade (span) aumentou após todas as hidrólises realizadas, o que pode ser devido às partículas de menor tamanho que foram geradas. Dentre os fatores avaliados foi possível verificar que a temperatura de hidrólise teve maior influência que os demais fatores (tempo de hidrólise, concentração de HCl e uso de ultrassom). O aumento da concentração de HCl causou redução de tamanho somente utilizando a temperatura de 80ºC.

Figura 46. Efeito da A) concentração de HCl, B) tempo, C) temperatura e D) utilização de ultrassom durante a hidrólise na distribuição de tamanho de partículas da borra de café.

Tabela 17. Diâmetro médio e span das partículas obtidas após as diferentes condições de hidrólise. Hidrólises D32 (m) D43 (m) Span Controle 178,4 ± 23,2 268,2 ± 19,5 1,32 ± 0,08 H1 69,9 ± 4,6 178,6 ± 7,1 2,19 ± 0,03 H2 58,6 ± 3,4 155,8 ± 7,8 2,37 ± 0,10 H3 47,1 ± 2,3 133,0 ± 7,2 2,66 ± 0,05 H4 55,1 ± 2,3 143,2 ± 6,9 2,57 ± 0,04 H5 57,4 ± 1,9 155,7 ± 5,0 2,45 ± 0,04 H6 54,3 ± 2,6 157,8 ± 12,0 2,74 ± 0,07 H7 78,3 ± 3,4 213,0 ± 5,7 1,93 ± 0,02 H8 83,7 ± 14,7 211,6 ± 18,4 2,05 ± 0,11

Apesar da considerável redução de tamanho alcançada, esta ainda está aquém do objetivo inicial do projeto, que visava a produção de partículas na escala nanométrica. Alternativas para tornar a hidrólise ácida mais efetiva seriam o aumento de temperatura (acima da temperatura de ebulição da água) ou o uso de ácido mais forte, como o ácido sulfúrico. Porém, essas alternativas podem ter como consequência a síntese de compostos indesejáveis durante o processo de hidrólise, o que não é interessante para materiais cuja aplicação principal seria em produtos alimentícios.

7.3.2.2 Método físico: Homogeneizador a altas pressões

Primeiramente foi determinado o efeito de sucessivas passagens no homogeneizador utilizando uma pressão de 600 bar (Figura 47). A primeira passagem levou a uma redução substancial do tamanho médio das partículas, porém as passagens adicionais causaram redução de tamanho pouco significativa. Isso significa que todos os processos de ruptura e desagregação possíveis para a quantidade de energia aplicada ocorreram de forma eficiente na primeira passagem.

Figura 47. Distribuição de tamanho das partículas da Fração 100 (Dmédio =179,5 m) em função do número de

passagens em homogeneizador a alta pressão.

Também foi determinado o efeito de diferentes pressões de homogeneização na distribuição de tamanho e polidispersão das partículas (Figura 48). Maiores pressões permitiram a obtenção de partículas com menor tamanho médio e polidispersão, porém a redução de tamanho frente ao aumento de pressão utilizado (de 200 a 1000 bar) pode ser considerada modesta.

Figura 48. Distribuição de tamanho das partículas da Fração 100 (Dmédio =179,5 m) em função da pressão de

homogeneização.

7.3.2.3 Método físico: Rotor-estator

O efeito de sucessivos passos em rotor-estator sobre a distribuição de tamanho da fração de mesh 100 (Dmédio =179,5 m) encontra-se na Figura 49. Duas diferentes velocidades foram usadas

(14000 e 18000 rpm). Observou-se que esse aumento na velocidade do rotor não causou alterações significativas nos resultados obtidos. Pode-se considerar que a redução de tamanho ocorreu até o sétimo passo, pois após esse ponto o tamanho permaneceu praticamente constante. Porém, as maiores reduções ocorreram até 3 passagens no rotor-estator. Já a polidispersidade aumentou com a aplicação de alto cisalhamento até a quarta passagem, sendo que após isso uma pequena redução foi verificada. No entanto, o valor final da polidispersidade foi ainda maior que o valor inicial da fração 100.

Figura 49. Diâmetro médio (D43) e polidispersão das partículas em função do número de passos em rotor-

estator da Fração 100 (Dmédio =179,5 m).

Também foi determinado o efeito do rotor-estator em outras frações de borra de café além da fração 100. A Figura 50 mostra as reduções de tamanho alcançadas nas frações 14, 30, 70 e 100. É possível observar que o perfil de redução foi semelhante para todas as frações. Através dos resultados de D43 apresentados na Figura 50 é possível observar que menores partículas são

alcançadas partindo-se de frações menores. No entanto os valores de D32 (resultados não

apresentados) mostram que após 3 passagens todas as amostras chegam a um tamanho parecido, com valores de D32 na faixa de 26 a 37 m aproximadamente. Esse resultado nos mostra que parece haver

um limite para a redução de tamanho que pode ser alcançada através desse método. É possível que as frações de tamanhos maiores só contenham aglomerados maiores e que a redução de tamanho feita pelo rotor-estator pode estar associada à quebra desses aglomerados, resultando em tamanhos muito parecidos mesmo partindo de frações diferentes. Esse resultado também pode estar associado ao limite de rompimento de acordo com a força aplicada, e à medida que o diâmetro da partícula decresce, a força necessária para a quebra dessa partícula se torna muito maior.

Figura 50. Efeito de 3 passagens em rotor-estator nas frações de borra de café: F14 (3535 m), F30 (985 m), F70 (385 m) e F100 (179 m).

O efeito da temperatura da dispersão durante a aplicação do rotor-estator também foi determinado. Os resultados da Figura 51 mostram que a temperatura não influenciou significativamente a redução de tamanho, ou seja, que as propriedades mecânicas das partículas não mostraram grandes alterações dentro da faixa de temperatura estudada.

Figura 51. Diâmetro médio das partículas após a passagem da Fração 100 (Dmédio =179,5 m) em rotor-estator

utilizando diferentes temperaturas durante o processo (5, 25, 50 ou 70ºC).

Assim, quanto aos processos físicos utilizados (homogeneizador e rotor-estator) foi possível observar que o uso da pressão mais alta (1000 bar) no homogeneizador resultou em partículas com distribuição de tamanho bastante similar à obtida após 7 etapas no rotor-estator. Já o uso da menor pressão (200 bar) resultou em partículas com tamanho similar ao obtido após 4 passos no rotor- estator. É importante ressaltar que o uso do homogeneizador tem certas limitações, pois a dispersão

submetida a esse processo deve ser diluída e não pode conter partículas muito grandes, dada a possibilidade de entupimento e queda de eficiência do equipamento. Assim, para as próximas etapas optou-se pelo uso do rotor-estator, um equipamento mais simples de operar que o homogeneizador e que permitiu a obtenção de resultados equivalentes.

Além disso, observando-se as curvas de distribuição de tamanho, tanto após o rotor-estator quanto após o homogeneizador, foi possível verificar a presença de partículas com tamanhos menores que 1 m (Tabela 18). Assim, o isolamento dessas partículas também foi avaliado para a obtenção das nanopartículas de borra de café. De fato, verificou-se que uma filtragem simples em papel de filtro permitia a obtenção de dispersões contendo partículas de tamanho nanométrico. Os resultados a seguir mostram as características das dispersões após a filtragem (denominadas como filtrados).

Tabela 18. Distribuição de tamanho das partículas presentes nas frações 400 e 100 da borra de café antes e após tratamento em homogeneizador a alta pressão ou em rotor-estator.

7.3.2.4 Caracterização dos filtrados

Na Figura 52 estão apresentadas as distribuições de tamanho, potencial zeta, e morfologia das dispersões de borra de café filtradas após múltiplas passagens em rotor-estator. As curvas de distribuição de tamanho mostraram sempre um pico ao redor do valor de 100 nm, independente do número de passagens em rotor-estator. Quanto ao potencial zeta, foi possível verificar que as partículas do filtrado apresentaram maiores valores absolutos de potencial zeta que o apresentado

pela fração 400 (seção 7.3.1, Figura 43). A microscopia mostra a presença das partículas de tamanho reduzido (micrométricas) e também a presença de alguns grandes aglomerados.

Figura 52. Distribuição de tamanho das partículas (quintuplicatas) dos filtrados obtidos após A) 2, B) 4, C) 7 e D) 8 passagens em rotor-estator. E) Potencial zeta dos filtrados em função das passagens no rotor-estator. F) Micrografia obtida em microscópio eletrônico de varredura do filtrado obtido após 8 passagens em rotor- estator com magnitude de 1000x. Barra representa 10 m. A fração 100 foi a amostra utilizada para obtenção das dispersões.

As dispersões obtidas tiveram sua concentração de partículas determinada através do método de secagem e avaliação da massa seca. Um valor de 0,02% m/m de partículas em solução foi obtido. Para viabilizar o uso dessas dispersões na formação de emulsões é preciso concentrar essas

dispersões de modo a atingir concentrações de no mínimo 1% m/m de partículas. Porém, não foi possível realizar esta etapa durante este trabalho, ficando como sugestão para possíveis trabalhos futuros.

Assim, nesse capítulo foram apresentadas algumas propriedades da borra de café bem como os resultados referentes à sua redução de tamanho, realizada por métodos físicos ou por hidrólise ácida. Esse trabalho continha em seu início duas principais propostas de estudos, as emulsões estabilizadas por borra de café ou por gelana acilada. Devido aos resultados interessantes obtidos no estudo da gelana como agente emulsificante, optou-se por fazer deste o foco do trabalho. Assim, o estudo envolvendo a borra de café não teve prosseguimento neste projeto.

7.4 Conclusão

Na caracterização da borra de café foi observado que se trata de um material constituído de partículas com diâmetro médio variando numa faixa bastante abrangente (37 m a 10 mm), com morfologia heterogênea e potencial zeta negativo no pH natural (5,0). Não foram observadas diferenças significativas de composição entre as frações separadas por tamanho através de peneiras.

Os resultados envolvendo a redução de tamanho das partículas de borra de café mostraram que os métodos físicos utilizados foram mais eficientes na redução de tamanho das partículas que o método químico, além de se constituírem como métodos mais seguros, em que não há a formação de compostos com potencial toxicidade durante o processo. A redução de tamanho utilizando o método simples de cisalhamento em rotor-estator seguida de separação das partículas através de filtragem foi a melhor estratégia encontrada para obter nanopartículas de borra de café. Também foi observado que a viabilidade do processo de redução de tamanho através de rotor-estator pode ser melhorada através do uso de frações com maiores tamanhos médios. Apesar de uma metodologia para a obtenção de nanopartículas de café ter sido determinada, a aplicação dessas partículas em emulsões não foi realizada nesse trabalho, pois o rendimento do processo era muito reduzido.

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