Development of an active whey protein film using Portuguese green tea (Camellia sinensis l.) extract to enhance Latin-style fresh cheese shelf life

Abstract

O queijo fresco é um queijo não curado, ligeiramente ácido e levemente salgado, feito a partir de leite cru ou pasteurizado, muito consumido na Europa, nomeadamente em Portugal. No entanto o queijo fresco tem um tempo de prateleira reduzido devido a características como, pH elevado (>5), elevada atividade de água e elevado teor de lípidos que favorecem o crescimento de microrganismos e a oxidação lipídica. O processo de fabrico do queijo leva, à produção de soro de leite, o principal subproduto da indústria queijeira. Infelizmente, o soro do queijo se não for eliminado corretamente pode tornar-se um grande fator de poluição ambiental devido à sua alta carência química e bioquímica de oxigénio. A nível global os produtores de queijo deparam-se com os problemas da perecibilidade do queijo fresco e com a gestão da eliminação do soro do leite. Embora anteriormente o soro do queijo fosse considerado um desperdício, atualmente é reconhecido como um subproduto valioso, uma vez que retém 55% dos nutrientes do leite. Além disso, a proteína do soro do leite compreende vários compostos bioativos que podem ser usados pela indústria nutracêutica. Atualmente, há um interesse crescente nas "embalagens verdes" devido ao impacto ambiental negativo dos materiais de embalagem convencionais. Os avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de tecnologias de separação por membrana, que permitem que o soro seja processado em concentrados de proteína de soro que podem ser utilizados para produzir películas ativas biodegradáveis com agentes antioxidantes e/ou antimicrobianos incorporados, com o objetivo de retardar a oxidação lipídica e prevenir a contaminação pós-processo. O chá verde (Camellia sinensis L.) não só é a segunda bebida mais consumida mundialmente, mas é também rico em compostos bioativos como os polifenóis, tais como flavonóides e ácidos fenólicos; e portanto, é bem conhecido pelas suas propriedades antioxidantes e antimicrobianas. Portugal é um dos poucos produtores de chá (C. sinensis L.) na Europa. A "Gorreana" é uma das marcas mais conhecidas de chá português, e o seu chá é produzido na Ilha de São Miguel, nos Açores. Recentemente, uma empresa, a "Chá Camélia", passou a produzir chá verde numa quinta do Concelho de Vila do Conde. No entanto, este chá nunca foi caracterizado antes. Assim, os objetivos principais deste estudo foram comparar diferentes chás verdes ("Gorreana", "Chá Camélia" e "Happy flora") quanto à sua capacidade antioxidante, incluindo o chá verde “Chá Camélia” da produção de 2020, bem como desenvolver uma embalagem ativa biodegradável e comestível usando proteína de soro de leite e extratos de chá verde para prolongar o tempo de prateleira do queijo fresco. No âmbito deste estudo, os métodos de extração sólido-líquido convencional e Soxhlet foram comparados relativamente à obtenção de extratos concentrados de C. sinensis L. A capacidade antioxidante de infusões de chá verde e de extratos de diferentes amostras de chá verde foi avaliada, através do sistema de inibição do radical DPPH e do ensaio do branqueamento do B-caroteno. Além disso, o conteúdo de compostos fenólicos totais e flavonóides também foi determinado. Posteriormente, foram produzidas embalagens à base de proteína de soro de leite chá verde ou extratos de chá verde incorporado. Adicionalmente, por meio de ensaios de migração, a capacidade antioxidante dos filmes foi avaliada pelos métodos mencionados anteriormente. Os nossos resultados demonstraram que os chás verdes portugueses avaliados têm capacidade antioxidante superior (AAC=746,7) relativamente ao chá verde asiático avaliado (AAC=650). Além disso, o chá verde produzido a partir das folhas da nova plantação portuguesa de chá "Chá camélia" apresentou o maior potencial de retenção da capacidade antioxidante (97,3%). Verificou-se também que o método de extração sólido-líquido convencional permite obter extratos com maior atividade antioxidante (AAC=1500), no entanto as extrações obtidas por Soxhlet apresentaram maior rendimento (43%). Adicionalmente, a embalagem ativa com o extrato de chá verde português incorporado exibiu uma alta capacidade antioxidante (AAC≈595,4). Conclui-se também que os filmes ativos inibiram efetivamente o crescimento de microrganismos, principalmente E. coli (1,5 x 10 UFC/g), quando comparados com o filme controlo (2,2 x 102 UFC/g). Este estudo sugere que a nova embalagem à base de proteína de soro de leite incorporado com extrato de chá verde português pode prolongar a vida útil do queijo fresco.

Fresh cheese is a slightly acid and mildly salted non-ripened cheese, made from raw or pasteurized milk, widely consumed in Europe, particularly in Portugal. However, its high pH (>5), water activity, and lipid content favor the growth of microorganisms and lipid oxidation, leading to a short shelf-life. Cheese manufacturing leads to the production of whey, the main by-product of the cheese industry. Unfortunately, cheese whey can become a major pollution factor if not managed correctly due to its high chemical and biochemical oxygen demand. Therefore, cheesemakers worldwide face both the perishability of fresh cheese and the management of cheese whey. Even though formerly, cheese whey was considered a waste, it has been acknowledged as a valuable by-product since it retains 55% of milk nutrients in recent years. Additionally, cheese whey protein comprises several bioactive compounds that can be used by the nutraceuticals industry. Nowadays, there is a growing interest in "green packaging" due to the negative environmental impact of conventional packaging materials. Advances in technology have enabled the development of membrane separation technologies, which allow the whey to be processed into whey protein concentrates that can be used to make biodegradable active films with antioxidant/antimicrobial agents to delay lipid oxidation and prevent post-process contamination. Green tea (Camellia sinensis L.), the second most consumed beverage globally, is rich in bioactive compounds such as polyphenols, namely flavonoids and phenolic acids; therefore, it is well known for its antioxidant and antimicrobial properties. Portugal is one of the few producers of tea (C. sinensis L.) in Europe. "Gorreana" is one of the most well-known brands of Portuguese tea, and it is produced in São Miguel Island, in the Azores. Lately, a company, "Chá Camélia," started to produce green tea on a farm nearby Vila do Conde. However, this tea has never been characterized before. Thus, the main objectives of this study were to compare different green teas ("Gorreana," "Chá Camélia," and "Happy flora") regarding their antioxidant capacity, including Chá Camelia green tea from 2020 production, as well as develop a biodegradable and edible active film using whey protein and green tea extracts to extend the fresh cheese shelf-life. In the frame of this study, solid-liquid and Soxhlet extractions were compared to obtain C. sinensis L. concentrated extracts. The antioxidant capacity of green teas and green teas extracts was assessed through DPPH free radical scavenging activity and B-carotene bleaching assay. Moreover, total phenolics and total flavonoids content were also determined. Furthermore, whey films incorporated with green tea and green tea extracts were produced. Additionally, through migration assays, the antioxidant capacity of the films was evaluated using the previously mentioned methods. Our results demonstrated that Portuguese green teas have a higher antioxidant capacity (AAC=746.7) than Asian green tea (AAC=650). Furthermore, green tea produced from the leaves of the new Portuguese "Chá camélia" tea plantation had the highest potential to retain the antioxidant capacity (97.3%). Additionally, solid-liquid extraction led to extracts with higher antioxidant activity (AAC=1500) but Soxhlet extractions present higher yield (43%). Furthermore, the active film incorporated with Portuguese green tea extract exhibited high antioxidant capacity (AAC≈595.4). The active films effectively inhibited the growth of microorganisms, especially E. coli (1.5 x 10 CFU/g), compared to the control film (2.2 x 102 CFU/g). This study suggests that the new whey protein film incorporated with Portuguese green tea extract can extend fresh cheese shelf life.