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Aromas e fragrâncias são importantes na indústria moderna. Perfumes, cosméticos, fármacos e alimentos dependem de substâncias que conferem odor e sabor que sejam agradáveis aos consumidores. As substâncias que promovem odor são químicas e, assim, os químicos são os profissionais mais indicados para estudar métodos de isolamento, identificação e classificação destes compostos. Há muita teoria química envolvida no estudo de aromas e fragrâncias; o leitor é convidado a consultar literatura especializada para maior aprofundamento. Além de um bom conhecimento químico teórico é necessário que se conheçam, além de técnicas analíticas adequadas, os mecanismos pelos quais os aromas são detectados no sistema olfativo e percebidos pelo cérebro.

Introdução

Alguns fatos são universalmente reconhecidos: aromas constituem um importante parâmetro da qualidade de alimentos e são a vida da indústria de perfumes; excelência em qualidade é o objetivo da pesquisa de alimentos e o odor é causado por substâncias químicas. Com relação a estes postulados, duas questões movem os trabalhos no ramo dos aromas: "quais são as substâncias químicas que conferem odor?" e "como elas funcionam"? O fato de que os químicos são os melhor qualificados para responder à primeira questão foi reconhecido há 170 anos quando Brillat-Savaint escreveu: "não pode-se negar que é a química que revelará a causa dos elementos que conferem aroma". Entretanto, a resposta à segunda questão é extremamente mais complexa, envolvendo questões bio-anatômicas e sócio-culturais. 

Para identificar um aroma ou fragrância deve-se identificar, nas fontes naturais, qual ou quais são os produtos químicos responsáveis por ele. A identificação de compostos químicos nas fontes naturais avança exponencialmente, mas a atribuição de qual composto é responsável por qual odor é muito mais complexa, principalmente devido à subjetividade a que tais determinações estão sujeitas. Os odores não são função única e exclusiva do produto químico em si, apesar de se reconhecer que certos grupos funcionais e determinadas estruturas são responsáveis por odores característicos. A qualificação - reconhecimento e atribuição de um odor a uma substância química - está sujeita a fatores sócio-culturais que são difíceis de desvincular. O treinamento para tal é extenso e intensivo. A resposta a um aroma segue a relação: 

Substância química aromática + fator humano à resposta do aroma.

Os aromistas (ou flavouristas) são pessoas treinadas para reconhecer odores característicos mesmo em baixíssimas concentrações. O melhor detector de aromas é o ser humano. Enquanto os equipamentos de análise mais sensíveis (comercialmente disponíveis) detectam, na melhor das hipóteses, concentrações na ordem de fentogramas/g  (fg/g - 1fg = 10-15g), o nariz humano é capaz de detectar com precisão até atogramas/g (ag/g - 1ag = 10-18g). 

A palavra inglesa flavour (ou flavor no inglês americano) tem significado mais amplo que simplesmente "aroma". Na realidade, flavour é a combinação de aroma (smell) e gosto (taste):

Por definição, sabor é percebido na boca, pelas papilas gustativas. Até o início dos anos 90 acreditava-se que havia regiões da língua que continham papilas dedicadas à percepção de cada sabor. Por exemplo, as responsáveis pelo sabor doce localizavam-se na ponta da língua, pelo sabor ácido nas laterais, e assim por diante. Entretanto, esta teoria não mais é aceita. Hoje sabe-se que as papilas gustativas responsáveis pela detecção de cada sabor estão deslocalizadas por toda a superfície da língua. 

Os responsáveis pelo odor são voláteis percebidos no nariz. Existem dois tipos principais: os voláteis provenientes do meio externo são denominados aromas, e cheiro é a percepção dos voláteis liberados de um alimento após sua ingestão, dentro da garganta - percepção retronasal. Reconhece-se que mais de 75% do gosto (sabor + odor) dos alimentos é, na verdade, a percepção retronasal de suas substâncias voláteis (cheiro). Fragrâncias são substâncias que conferem odor, mas não podem ser ingeridas. São utilizadas em perfumes e cosméticos - com exceção do batom que, por ser utilizado nos lábios, utiliza aromas.

Teorias da Olfação

Várias teorias foram postuladas na tentativa de desvendar os mecanismos pelos quais as células receptoras detectam e diferenciam substâncias odoríferas. Entretanto, nenhuma delas é universalmente aceita, ou foi totalmente comprovada. Abaixo seguem as teorias mais aceitas pela comunidade científica. O leitor é estimulado a consultar o artigo "O Sistema Olfativo" para maior compreensão da fisiologia de percepção de aromas.

1 - Formato molecular

Os químicos notaram que cadeias orgânicas com quatro ou oito carbonos de certos aldeídos ou álcoois possuíam odores muito fortes. A presença de anéis benzênicos alteram seu odor significativamente, dependendo do local onde as cadeias laterais são situadas, enquanto que anéis maiores (14 a 19 átomos de carbono) podem ser alterados consideravelmente sem alterar seu odor. A hipótese da "chave e fechadura" (Moncrieff, 1949) foi emprestada da cinética enzimática e aplicada aos odores. Moncrieff propôs que odores primários distintos possuíam sites receptores específicos. Amoore (1963) propôs sete odores primários devido a sua elevada freqüência de ocorrência entre cerca de 600 compostos orgânicos: cânfora, floral, hortelã, éter, pungente, putrefato e musgo. Propôs-se que estes sete odores primários possuíam receptores de formatos diferentes, correspondendo ao formato de suas moléculas. A mesma teoria é empregada na química da visão.

Com a descoberta de proteínas seqüestrantes de odores, esta teoria recebeu, recentemente, maiores atenções e considerações.

2 - Poro de Difusão

Esta teoria, criada por Davies e Taylor (1959), sugere que a molécula odorífera se difunde na membrana da célula  receptora formando um poro iônico no processo. O tempo de difusão e a afinidade pela membrana determina os thresholds (menor concentração perceptível de um aroma ou fragrância). Mas é difícil de explicar a diferença nas intensidades dos odores. O mesmo problema de codificação de  freqüência e intensidade de estímulo ocorre com a teoria de ressonância molecular. Os diferentes odores podem causar um diâmetro de poro diferente e, assim, um potencial receptor também diferente, dando origem a uma taxa de percepção diferente - mas na olfação, a intensidade de estímulo é codificado pela freqüência e não as diferentes qualidade de odor. 

3 - Efeito Piezo

Esta teoria foi proposta por Rosenberg et al. (1968). Acreditava-se que os carotenóides (presentes nos pigmentos das células olfativas) combinavam-se com os gases odoríferos dando origem a correntes elétricas. Rosenberg et al. testou a idéia e encontrou uma relação reversível entre corrente elétrica e concentração, onde uma unidade de concentração de um aroma provocava um aumento de 10.000.000 vezes na corrente elétrica. Com base nestes resultados, propôs que a formação de complexos de ligação fraca aumentava o número de transmissores. Entretanto, há alguns problemas com esta teoria. Primeiramente, as células receptoras não contém pigmentos e, em segundo lugar, álcoois pouco odoríferos de cadeias curtas forneceram um grande aumento na corrente elétrica, enquanto que álcoois de cadeia mais longa, mas com maior poder odorífero, forneceram pouca alteração na corrente. 

4 - Vibração Molecular

A freqüência de vibração da maioria das substâncias odoríferas pode ser determinada por espectroscopia de infravermelho (IR - InfraRed Spectroscopy). A idéia de que a vibração molecular pudesse estar associada ao seu odor foi sugerida por Dyson (1938). As mariposas macho são atraídas pelos doces porque sua emissão de infravermelho é idêntica àquela emitida pelos feromônios produzidos pelas mariposas fêmeas. Freqüências diferentes no infravermelho podem originar odores diferentes. Se toda a faixa de vibração de um composto ou molécula estiver abaixo de 4000cm-1, a detecção de grupos funcionais pode ser explicada, uma vez que muitos compostos com odores distintos vibram à aproximadamente 1000cm-1. O problema é que a freqüência de vibração é proporcional à intensidade de estímulo na olfação, e então freqüências diferentes de infravermelho não podem ser associadas à diferentes freqüências de ativação dos nervos receptores. 

5 - O Nariz como Espectrógrafo

Esta teoria, proposta por Luca Turin (1996), originou-se do trabalho de Dyson e sugeriu que os órgãos olfativos poderiam detectar vibrações moleculares. Turin propôs que quando uma proteína olfativa receptora liga-se a uma substância odorífera, pode ocorrer um ajuste eletrônico entre o site receptor e a molécula odorífera se os modos vibracionais forem iguais em energia. Assim, os receptores são eletronicamente ajustados pelas moléculas odoríferas, assim como os cones, células responsáveis pela visão,  são ajustados a comprimentos de onda particulares da luz branca. 

Como os Químicos Estudam os Aromas?

Existem muitas técnicas, instrumentos e equipamentos diferentes para o estudo de aromas. As principais dificuldades a serem vencidas são a extração e isolamento das substâncias químicas para análise de identificação e quantificação. Esta última é importante para estudos de custos de obtenção de uma substância aromática a partir de uma fonte natural. 

1 - Técnicas de Extração

A forma como as substâncias voláteis que conferem odor serão extraídas da matriz natural depende de vários fatores. Entre eles está a composição e constituição física desta matriz, bem como das próprias substâncias a serem extraídas. Por exemplo, se a substância química for sensível à ácidos, estes não poderão ser utilizados no processo de extração. Por outro lado, se a substância odorífera for termolábil (sensível ao calor), métodos de destilação também não poderão ser utilizados indiscriminadamente.

As técnicas mais comuns para extração e coleta de substâncias aromáticas de matrizes orgânicas são a destilação (convencional ou fracionada), a digestão, o cold trapping e a adsorção. 

As técnicas de destilação baseiam-se na separação da substância de interesse pela diferença de ponto de ebulição. A matriz é aquecida monitorando-se a temperatura de aquecimento e as frações de destilados são coletadas em recipientes separados. A identificação da fração que contém a substância odorífera é efetuada organolepticamente e/ou instrumetalmente. A forma como o composto de interesse será extraído depende das condições de destilação. Podem ser utilizadas técnicas de destilação sob aquecimento direto, fracionada ou não, por arraste a vapor ou em conjunto com digestão.

As técnicas de digestão baseiam-se na destruição da matriz orgânica, total ou parcial. Devem ser utilizadas com cautela, pois podem destruir também a substâncias odorífera de interesse, na esmagadora maioria das vezes também orgânica. A digestão pode ser ácida (ácidos clorídrico, sulfúrico, nítrico, ou uma mistura deles), básica (hidróxidos de sódio ou potássio, mais comum para matrizes oleosas) ou oxidativa (dicromato de potássio, permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio, ácido perclórico, ou qualquer outro agente oxidante). 

A adsorção, química ou física, é utilizada para prender as substâncias voláteis extraídas, por aquecimento ou por liberação direta, da matriz original. Podem-se utilizar polímeros apropriados, sais inorgânicos que formem complexos com os compostos odoríferos de maneira seletiva ou qualquer outro tipo de adsorvente. Após a coleta do(s) composto(s), estes são analisados adequadamente. Esta técnica é útil quando se conhecem previamente as características da substância responsável pelo odor que se deseja isolar. 

O cold trapping baseia-se no seqüestro seletivo das substâncias voláteis pela variação de temperatura. Os compostos odoríferos são analisados instrumental ou organolepticamente. 

2 - Técnicas de

Apesar de obter-se sucesso algumas vezes na separação com as técnicas de extração, estas são limitadas na medida em que muitas impurezas são arrastadas, além de haver grande perda e diluição dos compostos voláteis. Também são dependentes da técnica de recuperação.

As técnicas de separação mais utilizadas atualmente são as cromatográficas. Dependendo da substância de interesse e da matriz, podem ser utilizadas as cromatografias líquida ou gasosa. A grande vantagem da técnica é que, de posse de padrões adequados, pode-se fazer a identificação e a quantificação dos aromas.

3 - Técnicas de Identificação 

Como as substâncias voláteis normalmente são orgânicas, as técnicas de identificação são as mesmas utilizadas para qualquer composto orgânico. As mais comuns são as espectroscopias de infravermelho e Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Apesar de úteis na identificação de compostos não efetuam sua quantificação. 

Atualmente, a técnica mais robusta para análise de aromas é a espectrometria de massas. Esta técnica baseia-se na fragmentação das moléculas orgânicas e análise desses fragmentos para identificação e quantificação. A desvantagem é que, para que a análise seja correta, a amostra deve entrar pura no instrumento, ou seja, a matriz deve passar por processos de extração e purificação antes da substância ser analisada. Por este motivo, os espectrômetros de massa estão sendo acoplados a cromatógrafos gasosos, líquidos e a outros instrumentos como ICP's e espectrômetros de infravermelho.

4 - Técnicas Avançadas

A utilização de narizes eletrônicos vem crescendo consideravelmente no meio industrial, apesar de apresentarem ainda certas limitações. Estes instrumentos tentam substituir a detecção organoléptica, eliminando a variável humana nos processos de identificação de compostos aromáticos. Entretanto, ainda necessitam de aperfeiçoamento. Baseiam-se na vibração seletiva de certos cristais inorgânicos na presença de determinados compostos orgânicos que conferem odor. Ainda assim dependem de calibração, não dispensando a variável humana por completo, e utilizam redes neurais como métodos de identificação e, quando possível, quantificação. As redes neurais são métodos matemáticos avançados de difícil manipulação e de domínio restrito. Também requerem hardware e software especiais.

Algumas técnicas unem a quantificação instrumental com a identificação organoléptica. Uma delas é a técnica de GC-Sniffing - cromatografia gasosa com uma saída livre para o operador. Assim, enquanto o operador, normalmente um aromista treinado, observa que uma substância pura atinge o detector pelo aparecimento de um pico cromatográfico, uma parte dessa substância é liberada ao ambiente para sua avaliação. Atrelam-se tempos de retenção a odores característicos e à concentrações presentes nas amostras. Assim, obtém-se três informações imultâneas: identificação, classificação e concentração.

O aperfeiçoamento desta técnica é o MS-Nose. O princípio é o mesmo, mas o sistema de detecção é um espectrômetro de massas, e não um detector convencional (FID, TCD) de cromatografia gasosa. 

Aromas - Sintetizar ou Extrair?

A grande questão a ser respondida após a identificação e isolamento de uma substância química odorífera é: "é compensatório extrair este aroma de fontes naturais ou sintetizá-lo?"

A resposta a esta questão depende de fatores comerciais e econômicos. Primeiramente deve existir um mercado consumidor para o aroma em questão. Caso haja potencial econômico para sua exploração, devem-se avaliar os métodos de síntese e extração disponíveis, avaliando os seguintes parâmetros:

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o aroma deve apresentar-se na forma mais pura possível - muitas vezes a extração é o método mais barato, mas fornece um produto de baixo teor de pureza, com menor valor agregado;

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deve-se obter o produto final com o mínimo de perda - caso perca-se muito material no método de extração, ou o rendimento do aroma seja muito baixo, podem-se estudar rotas sintéticas economicamente mais viáveis;

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os processos, de extração ou síntese, devem ser o menos agressivos ao meio-ambiente quanto possível;

Pode parecer que as rotas sintéticas são o caminho mais fácil e lógico a se seguir após a identificação de um composto aromático. Entretanto, 75% de todos os aromas e fragrâncias utilizadas são extraídas de fontes naturais. Na maioria das vezes, as rotas sintéticas são muito mais caras que a extração simples do composto de interesse, mesmo que a pureza do produto final não seja elevada. Algumas vezes, há dificuldade de controle de centros quirais nos processos de síntese, como é o caso do limoneno:

Enquanto o R-(-)-limoneno fornece odor de limão, o S-(+)-limoneno é responsável pelo aroma de laranja*. Ainda assim, as rotas sintéticas para sua produção são extremamente caras, também pela necessidade de controle dos centros assimétricos, e 99,99% do limoneno produzido e distribuído na forma de óleo essencial de laranja é extraído de fontes naturais.

*Ainda discute-se se o limoneno é realmente o responsável pelos aromas de laranja e limão. Há autores que defendem a tese de que este composto é responsável pelo aroma frutal, e não cítrico. O responsável pelo aroma cítrico seria o ácido cítrico. Entretanto, como este ácido não é volátil, diz-se que o efeito cítrico é a percepção retronasal deste ácido, em conjunto com o limoneno e outros ácidos orgânicos presentes nos frutos. 

Conclusões

É evidente que os químicos são os melhor qualificados para o estudo sistemático dos aromas nos processos de extração, isolamento e identificação dos compostos odoríferos, mas sua participação não se limita a estes campos. Também são os mais indicados para a definição ou criação de rotas sintéticas apropriadas ou técnicas de extração convenientes. 

Mais uma vez, a química faz-se presente em áreas onde aparentemente não são de seu domínio. Fármacos e cosméticos são segmentos puramente  da indústria química, mas a química de alimentos é um campo de trabalho alternativo e rico para exploração dos profissionais da área, e um setor onde os investimentos têm rentabilidade garantida na indústria alimentícia.

A. Krell